用于人体呼吸和代谢监测的可穿戴压电气流传感器

原创 MEMS 2022-08-03 00:00

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据麦姆斯咨询报道，近日，曼彻斯特大学（The University of Manchester）提出了一种利用可穿戴压电气流传感器（wearable piezoelectric airflow transducer，WPAT）监测呼吸功能和代谢率的简单、经济的方法。研究人员通过将两片不同切割角度的单轴拉伸压电聚左旋乳酸薄膜粘合，设计出一种自保护弯曲传感器，然后将弯曲传感器安装在塑料管的一端以制造WPAT。研究人员期望WPAT技术能够为下一代医疗家庭护理应用和可穿戴医疗保健系统提供精确、方便、经济高效的呼吸和代谢监测解决方案。

WPAT及其呼吸和代谢监测性能

呼吸功能测定在临床和生理应用中不可或缺，因为呼吸信号是信息量最大的生命体征之一。例如，呼吸频率是各种肺部疾病易于测量的生物标志物。呼吸频率异常提示急性呼吸综合征、慢性阻塞性肺疾病和肺水肿。它还可以识别SARS-CoV-2感染的早期阶段。然而，仅仅一个呼吸频率在临床上被认为是一个较差的呼吸状态参数，因为它不包含任何有关呼吸流量和呼吸量的信息。例如，用力呼气量和用力肺活量是诊断阻塞性和限制性肺病的两个主要参数。因此，一种新的经济、可穿戴的呼吸流速计概念对于家庭远程医疗设备和可穿戴医疗系统精确检测各种呼吸功能是非常理想和重要的。

此外，代谢监测在了解临床和生理状况、提醒代谢紊乱和提供营养建议方面也至关重要。因此，已经开发了许多类型的设备（从简单且经济到复杂且昂贵）用于代谢测量或总能量消耗评估。例如，计步器、加速度计、心率传感器、全球定位系统及其组合已被用作可穿戴和低成本设备进行身体活动测量。然而，这些技术的一个决定性缺点是其相对较低的精度。具体来说，上述基于运动传感器的设备很难直接测量静态条件下的能量消耗，称为静息代谢率（metabolic rate，MR）。为了弥补这一点，通过利用适当的经验方程，从体重、身高和年龄等人体测量变量预测静息MR，但会导致严重的估计误差。相反，用于代谢测量的最常用和最准确的设备是间接热量计（indirect calorimeter，IC）。该IC主要由气流传感器、氧气传感器和二氧化碳气体传感器组成，用于测量消耗的氧气和产生的二氧化碳，以计算能耗。此外，IC通常需要在每次使用前对传感器进行频繁校准，并需要专业技术人员进行维护和操作，从而导致其复杂性和高成本。准确、方便、低成本的可穿戴代谢追踪器的短缺使其只能在临床环境中使用，阻碍了其在普通家庭中的广泛医疗应用。

为了从根本上解决这个问题，曼彻斯特大学的研究人员提出了一种利用WPAT监测代谢和呼吸功能的精确、直接、经济高效的方法，该WPAT主要包括一个自保护压电聚左旋乳酸（poly l-lactic acid，PLLA）弯曲传感器（bend sensor，BS）。

研究人员提出了一种独特的双层PLLA BS（double-layered PLLA BS，PLLA2BS）设计理念，即通过两个切割角度分别为45°和-45°的压电PLLA薄膜的面对面堆叠来实现。由于PLLA2BS的两个PLLA薄膜在弯曲时受到相反的力，因此PLLA2BS表现出比传统单层PLLA BS更高的压电弯曲响应。然而，单层PLLA BS比双层PLLA2BS灵活得多。使用呼吸模拟器进一步比较了它们对气流的压电弯曲响应，与单层PLLA BS相比，PLLA2BS对不同空速表现出更强的压电信号，并且气流速度越快，它们之间的差异越显著，这证明了PLLA2BS在气流传感方面的设计优势。根据PLLA2BS的设计策略，研究人员设计了一种WPAT，如下图所示。

WPAT设计概览

研究人员通过有限元模拟从理论上明确了WPAT的气流传感原理，并采用脉冲校准方法对WPAT进行了校准。结果证明，在呼吸流量和肺容量评估中，WPAT具有与呼吸流速计相近的准确性（相关系数>0.99）。通过人体穿戴试验成功地使用WPAT进行了代谢测量，并评估了每分钟通气量（标准温度和大气压下）和代谢率之间的关系。WPAT和Biopac间接热量计测量的代谢率的平均差为0.015 kcal/min，这表明两者具有相当的性能。值得注意的是，与带有气流传感器、氧气传感器和二氧化碳气体传感器的Biopac间接热量计不同，研究人员只使用了低成本、结构简单的WPAT，其主要由两片PLLA薄膜组成，以实现在门诊条件下的代谢监测。因此，研究人员期望所提出的WPAT技术能够使呼吸功能和代谢测量更加准确、平价且通用，以造福于人类生活。