用于肌少症筛查的可穿戴压电传感器

MEMS 2024-05-16 00:01

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导语

压电传感器具有高灵敏度、宽频率响应范围和高线性度等优点，非常适合需要动态测量的应用，特别是应用于肌肉或骨骼，以捕获肌肉收缩或关节弯曲期间产生的运动信号。四川大学田晓宝教授团队，制备了一种具有高压电响应的压电薄膜，并构建了可穿戴下肢运动监测系统，用于肌少症群体的运动监测与早期筛查。相关成果已发表在《Advanced Materials Technologies》上，论文第一作者为硕士生韩书朗与曾庆昊，四川大学机械工程学院熊艳副教授、华西医院岳冀蓉教授、四川大学力学系田晓宝教授为共同通讯作者。

研究背景

肌肉减少症的特征是骨骼肌质量、力量和功能的逐渐丧失，是一种普遍的年龄相关综合征，与其他疾病的发病率和老年人死亡率增加有关。肌肉减少症的后果不仅仅是身体损伤，还会影响整体健康、独立性和生活质量。早期筛查肌少症对于及时干预和改善临床结果至关重要。然而，评估肌肉质量和功能的传统方法，如双能 X 射线吸收测定法（DXA）、生物电阻抗分析（BIA）、计算机断层扫描（CT）和握力测量，由于成本高、复杂性高，并且需要专门的设备和专业知识，通常不适用于大规模筛查和长期监测。日常体能活动评估是肌少症筛查的重要方法，而这种评估方式具有延时性并且需要专业人员进行，无法实时监测自己的健康状态。而近年来，可穿戴系统已成为一种很有前途的技术，可以通过监测机械刺激、产生电信号和检测身体运动来满足对肌少症人群进行识别与监测这些要求。研究团队通过制备的钛酸钡压电薄膜构建了一个可穿戴下肢运动监测系统，可以实现下肢运动状态的监测，并根据机器学习分类模型实现了肌少症人群的高准确筛查。

图1：基于压电传感器的可穿戴下肢运动检测系统

（图片来自原文）

研究概述

基于功能化导电聚合物的设计，研究团队设计了功能化聚苯胺基时序黏附水凝胶贴片。它可以实现心脏的同步机械生理监测和电耦合治疗，并牢固附着在心脏表面监测心脏的机械运动和电活动

研究团队提出了一种可穿戴护膝式的下肢运动监测系统。该可穿戴系统结合了柔性压电传感器、信号处理电路以及无线传输模块，实现了运动信号从采集到分析的一体化。其中，柔性压电传感器由钛酸钡、银电极与聚酰亚胺柔性基底以三明治的结构组成，以保证传感器在使用过程中能够保持柔性与舒适性。钛酸钡薄膜是采用溶胶-凝胶法和静电纺丝法制备的一种压电纳米纤维薄膜，其具有较高的平均压电系数(d33=74.2pC/N)。在传感器输出性能表征中，所制造的柔性压电传感器表现出出色的线性度，同时在响应微小力时表现出较低的检测限(0.2mN)。传感器的输出在经过一周超过2.1万次的循环仅降低了8.46%，并且基本不受温度和湿度影响。

图2：a) 和 b）传感器输出性能；c) 和 d) 微小力作用下的输出相应

（图片来自原文）

图3：a) 和 b）循环稳定性；c) 温度稳定性；d) 湿度稳定性

（图片来自原文）

为了测试上述的可穿戴下肢运动监测系统的性能，研究人员招募了 56 名参与者，包括 16 名肌肉减少症患者（包括 10 名女性和 6 名男性）和 40 名非肌肉减少症患者（包括 26 名女性和 14 名男性）。参与者被要求佩戴该运动监测系统，然后进行坐立测试5次。在测试过程中，要求参与者静静地站立5秒钟，以确定识别系统上传感器的信号基线，然后尽快进行5次测试。识别系统在测试过程中收集膝关节、肱二头肌和腓肠肌传感器产生的运动信号，采样频率为500Hz。所采集的数据通过蓝牙传输到智能手机，在特征提取和选择后，利用机器学习对采集到的信号进行分类，最终在男性和女性群体中分别取得了92.9%与98.1%的准确率。

图4：a) 运动时传感器输出信号；b) 用于肌少症筛查的机器学习模型性能

（图片来自原文）

研究意义

本研究提出了一种用于下肢肌少症识别与监测的无线可穿戴系统，利用基于钛酸钡薄膜的三个压电传感器穿戴到下肢膝关节处。该系统从老年人的下肢运动中收集运动信号，并将其传输到电子设备，以便通过蓝牙进行实时显示和分析。这种可穿戴系统由于其优异的性能，有望实现肌少症群体的实时监测，为肌肉减少症的早期诊断和预防提供一种新的、方便的、家庭化的筛查解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202302172