SHIC呼吸监测器件的工作原理与性能优势

近日，浙江清华柔性电子技术研究院的研究团队利用柔性混合集成技术开发了一款用于连续呼吸监测的类皮肤集成器件（SHIC呼吸监测器件）。柔性类皮肤器件具有轻、薄、柔等特点，可模拟人体皮肤对外界刺激的反应，舒适地贴附于人体表面监测不同生理参数，与传统的医疗设备相比更具灵活性和便携性，在生命健康监测领域具有巨大的应用前景。相关研究成果在国际学术期刊《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials）上发表，浙江清华柔性电子技术研究院陈颖博士为该研究成果的第一作者，清华大学冯雪教授为该研究成果的通讯作者。该项研究得到国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金等的资助。

呼吸监测的重要性

呼吸作为人类最基本的生命体征，与人体的心理和生理状态有着紧密的映射关系。调查发现，呼吸系统疾病已经成为现代社会中的健康杀手，例如睡眠呼吸暂停症（Sleep Apnea），患者会出现呼吸暂停、呼吸变浅、呼吸不规律等呼吸失调症状，且患病率正呈现出逐年上升的趋势。该疾病不仅会加剧日间疲劳，甚至会诱发一系列并发症，如高血压、心脏病、中风、2型糖尿病、肝脏问题等，除此之外，伴侣的睡眠质量也会一定程度上受到影响。研究表明，合理地调整呼吸节奏对人体的身心健康至关重要，呼吸训练可以在一定程度上缓解压力、焦虑、慢阻肺和创伤后应激障碍(PTSD)等健康问题。因此，呼吸监测在日常生活、康复训练、临床治疗等领域都具有重要意义。

SHIC呼吸监测器件的工作原理与性能优势

SHIC呼吸监测器件集成了类皮肤的柔性混合电路、可延展柔性传感单元以及信号处理单元 (如图1a所示)，与人体表面完美共形，可持续稳定地进行呼吸监测。根据美国睡眠医学会的呼吸标准(呼出空气的温度接近体温，吸入空气的温度接近环境温度)，该器件搭载了基于压缩屈曲构型的温度传感器，测量吸入和呼出空气的温度变化（如图1b所示），并利用传热学分析的理论模型进行信号处理。相较于其他硬质呼吸监测设备，SHIC呼吸监测器件（如图1c所示）具有优越的信噪比及力学顺应性，可以在面部动态变形环境下持续稳定地工作。

图1 SHIC呼吸监测器件

a）类皮肤柔性混合电路与可延展柔性传感单元集成示意图，b）测量吸入和呼出空气的温度变化，c）器件实物图

目前已经有多导睡眠图、商用可穿戴设备（如Spire Stone）、鼻式和身体式设备作为呼吸监测的手段，如表1对比所见，SHIC呼吸监测器件解决了现有呼吸监测技术中器件刚性、有线导联、传感单元与信号处理单元分离带来的不舒适感、精度差、不可长期监测、数据传输与处理滞后等问题。

SHIC呼吸监测器件的应用价值

人们可以在休息、锻炼、就餐和睡觉等各种日常活动中佩戴SHIC呼吸监测器件（如图2所示），进行实时无线呼吸信号监测。在慢跑过程中，呼吸信号可反应不同的运动状态，并且得益于器件中“可呼吸”的半透膜，信号不会受到汗液的影响（如图2a）。该器件也可辨别口呼吸和鼻呼吸（如图2b），这对呼吸矫正有一定的指导意义。如图2c，d所示，该器件成功捕捉到了睡眠时的呼吸暂停情况。总而言之，SHIC呼吸监测器件在运动和睡眠医学中具有重要的应用价值，通过呼吸监测可以了解运动强度、呼吸方式、呼吸系统疾病等，并且该研究提出的系统级柔性混合集成电路为人体其他生理信号的连续实时监测提供了重要基础，为人体健康监测器件的大规模工业化生产和推广应用提供了新的研究思路。

图2 多场景下的呼吸监测应用

a) 慢跑时的呼吸信号， b）口呼吸和鼻呼吸的信号对比，c）睡眠时的呼吸信号，并捕捉到了d）呼吸暂停