英国科学家开发出一种可穿戴“贴纸”，即使不直接接触皮肤，也能准确监测人体的呼吸变化。
Pneumorator传感器
研究人员希望这种“开创性”传感器能够用于医疗机构和家庭，在健康状况恶化前提供“至关重要”的预警，从而挽救生命。
据麦姆斯咨询介绍，这项研究成果由英国南安普顿大学、南安普顿大学医院、诺丁汉特伦特大学牵头，联合医疗科技公司Zelemiq共同开发，已经以“A Novel Wearable Sensor for Measuring Respiration Continuously and in Real Time”为题发表在Sensors期刊上。
英国国家健康研究所（NIHR）为这项研究提供了近100万英镑的资助。这项研究在国家健康研究所南安普敦生物医学研究中心（NIHR Southampton Biomedical Research Centre）内进行。
对于败血症和新冠病毒（COVID-19）等多种疾病，呼吸频率的变化往往是患者病情恶化的最初迹象。
南安普顿大学ECS医疗保健中心主任Neil White教授说：“这种可穿戴技术可以长时间持续测量呼吸频率，这是传统人工呼吸计数无法做到的。因此，利用它可以记录和观察呼吸频率的变化趋势，为快速干预提供可能，从而挽救生命。”
目前，哮喘、睡眠呼吸暂停和慢性阻塞性肺病等常见慢性呼吸道疾病影响着全球超过4.35亿人口。因此，各界一直在努力推动开发无创、高效测量呼吸频率，且同时满足医疗准确度要求的新方法。
Pneumorator传感器结构示意图
研究人员开发的开创性可穿戴“贴纸”被称为Pneumorator传感器，它包含一系列功能层，通过测量呼吸引起的传感器频率变化来工作，能够准确检测出胸部扩张或肺部变化引起的细微差异。
研究人员利用计算建模和经验测量，设计、优化并评估了这种基于电容式传感器结构的柔性呼吸传感器。在计算研究中，研究人员考量了传感器的几何形状。该分析包括使用模仿人体的圆柱形模型观察电容和频率变化。
研究人员选择了四种设计，然后通过在聚酯/棉织物上丝网印刷多个功能层来制造传感器。通过对印刷传感器进行表征，检测了其抗伪影及人为影响的能力。结果表明，电极比例为 1：3：1（传感器、反射器和基底）的传感器是最灵敏的设计，当面对伪影时显示出6.2%的频率变化，灵敏度最高。为确保传感器的可复制性，研究人员开发了多批相同的传感器，并使用相同的物理参数进行测试，结果显示频率变化百分比相同。该传感器还在志愿者身上进行了进一步测试，结果表明，与人工呼气计数相比，该传感器测量呼吸的准确率高达98.68%。
Pneumorator传感器的工作机制是在吸气和呼气间，记录传感器电极与肺膨胀/收缩之间的电容变化。该传感器的一个显著优点是不需要对患者身体进行任何准备，例如传感器贴附区域无需剃毛，或紧紧贴附人体躯干等。
为获取传感器周围电场分布而采用的模拟方法示意图
研究人员表示，该器件成本低，可大规模制造。现在，它将通过南安普顿大学医院的临床试验得到进一步验证，以期获得英国国家医疗服务体系（NHS）的监管批准。
Pneumorator传感器测试呼吸频率监测
该传感器通过无线接口将数据显示在专用的智能手机或平板电脑APP上，供医疗团队作为预警系统使用。
目前，医院通过护士人工计算患者每分钟的呼吸次数来测量呼吸频率，研究人员认为，这会导致呼吸频率变化无法有效监测，延误潜在的治疗时间。
虽然胸带或面罩系统可用于连续测量呼吸频率，但研究小组表示，这些系统可能具有侵入性，而且长时间使用会让患者感到不适。
诺丁汉特伦特大学医疗技术创新中心电子织物和电子工程专家Yang Wei博士表示：“这是一项突破性的可穿戴创新，其精心设计为患者和医护人员提供了关键支持。”
他介绍说：“以这种方式持续测量呼吸，使我们有可能实现更快、更有效的治疗，大大提高患者的治疗效果和医疗机构的运行效率。”
南安普顿大学医院的麻醉顾问Harry Akerman博士补充说：“呼吸频率通常是病人出现不适症状时最先发生变化的生理参数，比心率、血压、体温和血氧水平的变化都要早。呼吸频率也是这些参数中唯一需要常规人工测量的参数，因此很容易出现人为错误。”
更早地发现疾病对患者更有利，同时治疗成本也更低，因此，这种能够持续、无创地测量呼吸频率的器件有望成为早期发现患者病情恶化的重要工具。
