用于持续呼吸监测和呼吸康复的3D打印磁性空气压力传感器

3D-printed magnetic-based air pressure sensor for continuous respiration monitoring and breathing rehabilitation

Nora Asyikin Zulkifli, Wooseong Jeong, Mijin Kim, Cheolgi Kim, Young Hwii Ko, Dong Choon Hyun*, Sungwon Lee*

通讯单位：大邱庆北科学技术大学；庆北国立大学

全文链接：

https://www.oaepublish.com/articles/ss.2024.11

便携式检测技术的快速发展使得许多患有慢性呼吸系统疾病的患者能够及时进行诊断、监测和治疗。目前，最大的挑战在于进一步优化测试设备，以提升功能多样性、效率和性能，并且更好地满足患者的特定需求。考虑到慢性呼吸系统疾病患者可能存在呼吸困难的情况，我们开发了一种呼吸传感器，专注于低气压范围内的敏感度。与简单的气流数据不同，该传感器利用基于磁性的压力传感器输出呼吸气压。这种非传统但高度可靠的方法，结合传感器简单的3D打印设计，提供了广泛的可调性和功能性。凭借其出色的敏感性、显著的吸气和呼气区分能力，以及完全可重现和便捷的设计，我们相信这种呼吸传感器将为开发生物医学领域内的多模态和多功能呼吸传感器铺平道路。

当今世界上一些最严重和普遍的疾病之一与肺部有关。这些疾病通常被定义为慢性呼吸系统疾病（CRDs），包括慢性阻塞性肺疾病（COPD）、哮喘、职业性肺病和肺动脉高压。通常，这些疾病的诊断需要专用工具，如肺功能仪，它们可以根据气量和流速来分析量化肺部功能。然而，除了诊断目的外，治疗这些疾病的生物医学设备的另一个重要功能是在患者日常生活中持续监测其健康状况，其中通常使用简单但坚固的设备，如气流传感器或呼吸传感器。由于呼吸病毒的迅速出现，包括最近的COVID-19大流行，这些监测设备现在需求日益增加。

图1 呼吸传感器的设计及工作机制

图2 PHMR传感器工作机制及PHE表征

图3 完全组装的呼吸传感器的特性

图4 呼吸传感器的演示、应用与功能化

本项工作开发了一种使用稳健的磁性PHMR传感器作为主要感应机制的3D打印呼吸传感器，能够检测和区分吸气和呼气的气压变化。当呼吸气流进入时，由于PDMS薄膜内嵌磁铁的运动引起磁场变化，进而激发PHMR传感器输出电压的变化。多位志愿者进行了多次呼吸示范，展示了传感器测量的多样化呼吸模式。除了正常呼吸外，还展示了运动和冥想状态下的呼吸示范。为了适应深呼吸的更高压力范围，通过改变PDMS膜的厚度对传感器进行了修改。可以进一步修改以扩展传感器的功能。为了验证这一点，引入了IMT设备，通过在传感器主体上添加几个额外的组件。这种呼吸传感器设计具有高度的适应性和可修改性，允许广泛的功能和设计应用。

这项工作得到了韩国国家研究基金会（ 2018R1A5A1025511、2021R1A2C1007129）和韩国教育部资助的 BK21 FOUR（培育杰出研究大学）项目支持。