研究一种智能紧凑型可穿戴压力-应变复合传感器系统，用于持续监测胎儿运动-电子发烧友网

01 研究背景

胎动是胎儿神经系统和肌肉骨骼系统发育良好的重要信号，但约 15% 的孕妇会出现胎动减少，这常与胎儿死亡或死产相关。健康胎儿通常每 30～40 分钟在活跃与安静之间循环，而胎儿在宫内受损时会减少运动以节省氧气，这一变化可能早于死产出现。因此，准确识别胎动模式十分关键。但目前常用的监测方式仍较有限：最常用的方法依靠孕妇自行感知，但研究显示，大约四成胎动其实不会被察觉；超声虽然能直观观察到胎动，却必须依赖专业人员操作，且只能在医院内进行；胎心监护设备体积较大，需要绑带固定、操作和解读也需专业经验，因此一般仅用于高危妊娠。可以说，真正便捷、客观、适合日常使用的胎动监测技术至今仍是临床上的空白。

近几年的研究提出了一些新的胎动监测方式，包括利用压电传感器检测胎动引起的压力变化、用微机械声学传感器捕捉胎动产生的微振动，以及通过加速度计监测孕妇腹部的位移。然而，这些方法普遍存在信号干扰严重的问题，例如环境噪声和震动会掩盖胎儿本身的信号；加速度计难以区分母体运动与胎动，且对佩戴位置要求严格，否则准确性会明显下降。此外，这类可穿戴设备多需搭配面积较大的绑带，佩戴舒适度较差，限制了其日常使用性。

本研究提出了一种由人工智能驱动的、创可贴式可穿戴压力—应变复合传感系统，可连续、准确地捕捉胎动引起的母体腹部皮肤微小位移。研究设计的八边形金纳米线薄膜作为全方向应变传感器，在二维与三维仿生腹部模型中分别覆盖约 77 与 217 cm² 的检测范围；相比之下，压力传感器虽具有更高的局部检测精度，但有效范围较小，仅约 13 与 38 cm²。基于两类传感器的特性，本研究进一步研制了厚度约 3 mm、面积 10～14 cm²、重量约 3 g的高度集成创可贴式贴片。在 59 名孕妇的测试中，仅通过两个贴片即可采集数据，并利用机器学习模型实现了超过 90% 的胎动识别准确率（辅以超声为验证）。这种智能化、轻便且佩戴舒适的贴片式传感系统，展现出在院外开展连续胎动监测的应用潜力。

02 研究概述

设计原则与传感器的制备

本研究利用柔性机械传感器，直接测量腹部皮肤的侧向应变与垂直压力，以获得更直观的胎动信息。然而胎儿位置、传感器灵敏度与覆盖范围等因素都会影响监测效果，因此在尽量减少传感器数量的前提下实现高传感准确度，是设计中的关键目标。

为验证这一思路，本研究分别设计了柔性应变和压力传感器用于模拟胎动检测。其中，八边形应变传感器因具有七条直边与八个角点，可更均匀响应不同方向的形变；有限元分析也显示，其靠近胎动位置的角点形变最为显著。相比之下，传统 U 形结构的响应范围更有限。两类传感器均基于垂直取向的金纳米线材料，通过掩膜图案化制备在 SEBS 基底上，并以约 150 μm 厚度封装成柔软贴片；扫描电镜也证实了金纳米线在基底表面的垂直排列结构。

在直径 200 mm 的弹性 Ecoflex 薄片上安装传感器并进行模拟胎动实验，当施加模拟踢力时，八边形（Octa）应变传感器局部产生明显形变并出现裂纹，裂纹宽度随载荷增加而扩大，电阻随之上升，可检测半径约 5 cm，覆盖人工腹部约 25% 面积；相比之下，传统 U 形传感器和纸基压力传感器检测范围更小。通过调整八边形尺寸与金纳米线生长时间，优化了灵敏度与佩戴舒适度的平衡。Octa 传感器在不同方向应变下均表现出稳定的电阻变化，显示全方向高灵敏性，而 U 传感器则对 45° 方向敏感性下降，呈单向特性。微观观察表明，裂纹扩展与传感器灵敏度呈正相关，说明 Octa 传感器能够高精度、多方向捕捉胎动信号，同时响应快速，适合监测如胎儿踢动、翻滚等多类型胎动。

传感器的结构设计与工作原理

（图片来自论文）

三维人工腹部模型的应用验证

研究人员在三维硅胶人工腹部上测试了传感器对胎动的检测能力，将人工腹部分为四个大象限，并在每个象限放置 Octa 应变传感器和压力传感器。模拟约 15 N 的踢力作用下，压力传感器表现出局部灵敏性，每个传感器覆盖约 4% 面积，四个传感器合计可监测约 16%；而 Octa 传感器覆盖面积更广，每个约 23%，四个传感器合计覆盖超过 90%。考虑到孕妇活动可能产生干扰，应变传感器虽灵敏但易受影响，而压力传感器对腹部肌肉活动不敏感，因此本研究将两者组合，既可获得广泛响应，又保留局部精确检测，组合系统仍可监测约 50% 面积。此外，Octa 传感器在不同方向、不同载荷位置均表现出一致的全向灵敏性，相比 U 形传感器更适合捕捉多方向胎动。基于传感器信号，进一步开发了机器学习算法，通过 100 Hz 数据构建多层感知器（MLP）模型，实现对胎动位置和力度的预测，在已见位置的测试中，平均定位误差仅 1.2 mm，力的平均绝对误差为 0.13 N；对于未见位置，定位误差为 26.5 mm，但力预测仍保持可靠，表明增加训练数据可进一步提高模型泛化能力。

三维人工腹部系统中的模拟功能性运动。

（图片来自论文）

压力应变组合传感器系统的搭建

为验证 Octa 应变传感器和压力传感器在临床胎动监测中的可行性，本研究开发了两款柔软、轻薄、可穿戴贴片，每片集成一枚 Octa 传感器和一枚压力传感器，可贴合孕妇腹部。贴片采用聚酰亚胺（PI）柔性电路板，内置薄型锂聚合物电池和集成电路芯片，并用医用双面硅胶胶带固定在腹部表面。Octa 传感器可通过独立接口便捷更换，而压力传感器则贴在双面胶上，与底层指状电极接触，每次试验后可更换以保证卫生。两款贴片均轻巧紧凑，分别为 63×30×4 mm 和 62×28×2 mm，并设计了可弯曲区域以贴合腹部曲面，同时在芯片位置增加加固结构防止弯曲导致剥离。设备内部集成电池、电压调节、电路信号调理及蓝牙芯片，可实时读取传感器电阻、存储数据至 MicroSD 卡，并通过手机 App 进行数据传输与查看，实现便捷的胎动监测。

压力应变组合传感器系统

（图片来自论文）

临床研究

本次开发的轻薄“创可贴”式贴片易贴合于孕妇腹部，并在 59 名孕妇半卧位试验中表现良好。压力传感器贴于母体感受到最强胎动的腹部区域，Octa 应变传感器则贴近胎儿肢体方向，同时胸部佩戴加速度计用于记录非胎动数据以去噪。小巧的设计使贴片可与超声同步验证，结果显示压力传感器可精确捕捉局部胎动（如踢动、呼吸、抽搐），Octa 传感器则擅长检测非局部信号（如打嗝、头部动作、胎儿行为状态）。为去除母体动作和环境干扰，本研究利用机器学习算法对胎动进行二分类检测，单传感器系统压力贴片的准确率为 89.5%，Octa 贴片 84.6%，而压力-应变组合系统的准确率提升至 92.2%，敏感性 78.2%，特异性 90.9%，两种传感器互补优势明显。系统对胎动位置变化、体重指数、羊水量及传感器到胎儿的距离均不敏感，在不同温湿度条件下响应稳定，且在连续 25 小时使用及 1000 次循环载荷测试后仍能维持稳定信号，显示了其高环境耐受性和长期可靠性，为连续、精准的日常胎动监测提供了可行方案