众所周知，许多呼吸系统疾病都伴随着不同程度的咳嗽。百日咳、慢性阻塞性肺病的诊断对社会公共资源提出严重考验。尤其自新冠肺炎疫情以来，咳嗽作为新冠肺炎患者主要的病症之一，对患者日常活动中咳嗽症状进行监测和分析具有重要意义。开发用于呼吸类疾病诊断的咳嗽监测传感器势在必行。在过去的数十年里，柔性传感技术在个性化医疗、智能可穿戴设备、智能假肢、人机交互界面和虚拟现实（VR）/增强现实（AR）等应用具备潜力而得到迅猛发展。然而，柔性传感器在实际使用中容易受到运动伪影、长时间佩戴导致的汗液聚集、日常说话和吞咽等外部干扰影响，无法满足咳嗽监测在临床诊断上的评估要求。
据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，天津大学张孟伦助理教授、庞慰教授团队开发了一种对语音和运动伪影不敏感的透汗电子皮肤，可以在实际应用中实现可靠的咳嗽监测，助力呼吸类疾病诊断。该电子皮肤基于压电薄膜材料、多尺度阵元结构设计和cut-and-paste加工技术，轻薄无感贴附在胸部，同时实现高精度、实时、高可靠的咳嗽信号提取。该研究以“Chest-Laminated and Sweat-Permeable E-skin for Speech and Motion Artefact-Insensitive Cough Detection”为题，发表于Advanced Materials Technologies期刊。
图1所示为电子皮肤工作原理和咳嗽监测的实现方案框图。咳嗽是由发声器官产生的微运动，通过电子皮肤检测这些微弱的运动，可以捕获咳嗽信号。咳嗽期间人体胸部像气球一样高速“膨胀”和“收缩”，横膈膜和肋间肌的松弛和紧缩，局部应变从胸部转移到电子皮肤，电子皮肤产生相应的拉伸和收缩应变，由于压电效应而产生相应的电信号，电压信号经过放大和滤波后输出以表征咳嗽。该电子皮肤通过贴附在人体胸部而非喉部，大幅降低了日常说话和吞咽导致的信号干扰。
图1 用于咳嗽监测的电子皮肤方案
该电子皮肤的设计如图2所示。人体的汗孔即使在剧烈运动或炎热环境中也具有完全排汗的能力，受此启发该工作在电子皮肤上设计了可以完全渗透汗液的圆形通孔。然而，仅利用圆形通孔无法实现电子皮肤与具有不规则皮肤的保形接触。因此，通过进一步使用圆形通孔和Kirigami设计相结合的策略形成哑铃形构型，在保障压电性能的前提下大幅提高了电子皮肤的机械顺应性和机械耐久性。所提出的设计方案克服了难拉伸压电薄膜和不透汗电子皮肤的固有局限性，可以在保持皮肤正常生理活动的同时舒适地长时间监测咳嗽。电子皮肤的总尺寸为50mm × 30mm，而孔隙结构和哑铃剪纸结构大幅降低了电子皮肤的面密度（31.5mg/cm²），使得电子皮肤可以自贴附于胸部且具有很小的层压感。以上设计保障了电子皮肤实现高精度、无感贴附、长期可靠的生理活动监测。
图2 电子皮肤的设计
为了验证所设计电子皮肤在正常生活中的实际可行性，研究人员分别在说话、大喊、运动过程进行了咳嗽监测，实验结果验证了电子皮肤在胸部进行咳嗽监测的功能性和可靠性。为了有效区分清嗓子信号和咳嗽信号，该工作还演示了基于机器学习的算法研究，进一步提高了该电子皮肤实现咳嗽监测的实用性。此外，实验结果表明长时间佩戴该电子皮肤而不会造成过敏等应激反应，并能承受日常活动中的剧烈运动而保持完整的功能性。
图3 电子皮肤实测结果
综上所述，该研究提出了一种新型透汗电子皮肤，能够实现长期稳定的咳嗽监测，对语音、运动伪影、汗液聚集等外部干扰不敏感，从而大幅提高其实用性。该研究所提出的实现方案、设计思路和制造方法将进一步推动电子皮肤在个性化医疗、智能健康监测、人机交互界面、VR/AR以及软体机器人等应用领域的快速发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/admt.202201043
《电子皮肤贴片技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》
