來(lái)源：生命科學(xué)前沿

隨著每年因駕駛員疲勞或困倦引發(fā)的交通事故數(shù)量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)起，開(kāi)發(fā)能夠在車輛中非接觸且不顯眼地監(jiān)測(cè)駕駛員生理標(biāo)志物（如心率和呼吸）的生物傳感器技術(shù)變得尤為重要。這些傳感器有助于提前發(fā)現(xiàn)健康問(wèn)題、預(yù)防疲勞相關(guān)的事故，并評(píng)估壓力和情緒狀態(tài)對(duì)駕駛性能的影響。然而，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，如汽車或航空應(yīng)用中，由于存在振動(dòng)、隨機(jī)身體運(yùn)動(dòng)和多個(gè)乘客，現(xiàn)有方法難以可靠地捕捉這些生理標(biāo)志物。因此，研究者們報(bào)告了一種新型的數(shù)字化刺繡超材料生物傳感器，它能夠在不接觸身體的情況下，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中捕捉心肺信號(hào)，為提高駕駛安全提供了新的解決方案。

新加坡國(guó)立大學(xué)John S. Ho團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院田曦博士設(shè)計(jì)了關(guān)于一種新型的數(shù)字化刺繡超材料生物傳感器，它能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中非接觸地捕捉心肺信號(hào)。這種生物傳感器通過(guò)數(shù)字刺繡技術(shù)制成，可以集成到安全帶來(lái)檢測(cè)生理運(yùn)動(dòng)，通過(guò)無(wú)線信號(hào)與身體的近場(chǎng)相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

【主要內(nèi)容】

圖1 非接觸式超材料生物傳感器

研究人員設(shè)計(jì)的這種數(shù)字化刺繡的超材料生物傳感器能夠非接觸地監(jiān)測(cè)心肺信號(hào)，通過(guò)無(wú)線信號(hào)在安全帶上的共形傳播與人體生物組織進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了心跳和呼吸的檢測(cè)。這些信號(hào)被用于提取生理特征，并應(yīng)用于諸如疲勞檢測(cè)、活動(dòng)監(jiān)測(cè)等多種健康監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。圖中還展示了生物傳感器在航空艙模擬器中的不同位置集成情況（肩帶、腰帶和厚衣服覆蓋下的肩帶），以及在不同配置下收集的樣本傳感器信號(hào)和它們所提供的應(yīng)用。

圖2 紡織超材料生物傳感器的設(shè)計(jì)

該傳感器采用數(shù)字化刺繡技術(shù)，使用導(dǎo)電線在紡織品上精確制造出復(fù)雜的周期性圖案。圖中展示了超材料波導(dǎo)的幾何設(shè)計(jì)參數(shù)和表面模式的色散曲線，這些曲線顯示了不同參數(shù)下波數(shù)的變化，以及在2.4-2.5 GHz的ISM頻段內(nèi)的表面等離子體模式。此外，圖中還展示了過(guò)渡段的設(shè)計(jì)，該過(guò)渡段實(shí)現(xiàn)了從超材料結(jié)構(gòu)到50Ω共面波導(dǎo)的高效波矢轉(zhuǎn)換。通過(guò)模擬，展示了傳感器在人體模型上的性能，包括表面波的約束和能量集中，這增強(qiáng)了與身體組織的無(wú)線交互，從而更有效地調(diào)制傳播相位。圖中還模擬了呼吸和心跳運(yùn)動(dòng)對(duì)傳播表面波的影響，這些影響以傳輸無(wú)線信號(hào)的相位變化形式被檢測(cè)到。

圖3 關(guān)于傳感器位置的傳感性能表征

通過(guò)將傳感器集成到安全帶的四個(gè)不同位置，研究人員收集了四名健康受試者的生理數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括心率（HR）和呼吸率（RR），并通過(guò)心電圖（ECG）作為參考信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。圖中顯示了生物傳感器數(shù)據(jù)與ECG參考測(cè)量值之間的高度相關(guān)性，表明傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)心跳信號(hào)。同時(shí)，通過(guò)Bland-Altman分析，進(jìn)一步證實(shí)了生物傳感器與參考測(cè)量值之間的一致性。這些結(jié)果表明，無(wú)論傳感器在安全帶的哪個(gè)位置，都能可靠地提取心率和呼吸信息，即使在穿著冬季外套的情況下，生物傳感器也表現(xiàn)出良好的性能。

圖4 超材料生物傳感器在模擬飛機(jī)座艙環(huán)境中進(jìn)行連續(xù)生理監(jiān)測(cè)的能力

傳感器集成在肩部安全帶中，能夠在進(jìn)行日常活動(dòng)如說(shuō)話、喝水、打字和使用手機(jī)時(shí)，可靠地捕獲呼吸和心跳信號(hào)。即使在身體運(yùn)動(dòng)和背景干擾的情況下，傳感器也能準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)生理數(shù)據(jù)。此外，傳感器還被集成到安全帶中，以監(jiān)測(cè)傾斜姿勢(shì)下的生理信號(hào)，證明了在不同身體方向下，傳感器能夠以15毫秒的中值IBI估計(jì)誤差捕獲生理信號(hào)。在六小時(shí)的睡眠實(shí)驗(yàn)中，傳感器能夠通過(guò)心率變化檢測(cè)睡眠-覺(jué)醒轉(zhuǎn)換，準(zhǔn)確捕捉到睡眠開(kāi)始時(shí)心率的顯著下降以及睡眠期間突然的心率變化，這些變化與覺(jué)醒密切相關(guān)。通過(guò)將傳感器輸出作為物理活動(dòng)指標(biāo)，并結(jié)合心率數(shù)據(jù)，使用基于規(guī)則的方法對(duì)睡眠-覺(jué)醒階段進(jìn)行分類，與智能手表獲得的參考睡眠-覺(jué)醒階段相比，估計(jì)的睡眠-覺(jué)醒階段達(dá)到了95%的檢測(cè)率。

圖5 超材料生物傳感器在實(shí)際車輛環(huán)境中的生理監(jiān)測(cè)能力

研究人員將傳感器集成到車輛安全帶中，以監(jiān)測(cè)駕駛員的生理指標(biāo)。即使在車輛怠速和行駛過(guò)程中遇到顯著的振動(dòng)干擾，傳感器也能清晰地捕獲呼吸和心跳模式。通過(guò)基于VMD算法的信號(hào)處理流程，研究人員能夠有效地從動(dòng)態(tài)噪聲中分離出呼吸和心跳信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，參與者被要求模仿駕駛員的動(dòng)作，傳感器的檢測(cè)結(jié)果與參考測(cè)量值之間的標(biāo)準(zhǔn)差誤差僅為39毫秒，顯示出高度的可靠性。在城市駕駛環(huán)境中，傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)乘客的生理指標(biāo)，記錄了車輛的位置、速度和加速度信息，并與參考測(cè)量值進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示傳感器在不同交通條件下均能保持高準(zhǔn)確度。上圖還展示了整個(gè)駕駛過(guò)程中檢測(cè)到的心率和呼吸率的變化，有效地反映了生理變化，如駕駛員的警覺(jué)性和困倦程度。

【全文總結(jié)】

本文介紹了一種創(chuàng)新的數(shù)字化刺繡超材料生物傳感器，它能夠在不接觸身體的情況下，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中監(jiān)測(cè)心肺信號(hào)。這種生物傳感器由新加坡國(guó)立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，具有在運(yùn)動(dòng)車輛中監(jiān)測(cè)駕駛員生理指標(biāo)的潛力，如心率和呼吸，從而評(píng)估駕駛員的警覺(jué)性、疲勞和壓力水平。

該傳感器采用數(shù)字刺繡技術(shù)制成，使用導(dǎo)電線在紡織品上創(chuàng)建軟質(zhì)傳感器，能夠適應(yīng)身體活動(dòng)并與現(xiàn)有的安全裝備集成。研究團(tuán)隊(duì)在航空艙模擬器和真實(shí)車輛環(huán)境中測(cè)試了傳感器的性能，證明了其在連續(xù)監(jiān)測(cè)心跳和呼吸方面的準(zhǔn)確性和可靠性。傳感器還能夠在睡眠監(jiān)測(cè)中檢測(cè)睡眠-覺(jué)醒周期，并且在城市駕駛環(huán)境中，即使在交通擁堵和道路條件變化的情況下，也能持續(xù)監(jiān)測(cè)乘客的生理變化。

這項(xiàng)研究的成果表明，超材料生物傳感器在動(dòng)態(tài)環(huán)境中進(jìn)行非接觸式生理監(jiān)測(cè)方面具有顯著的潛力，可以用于開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)駕駛員疲勞和困倦的應(yīng)用程序，從而提高道路安全。研究還展示了超材料生物傳感器在設(shè)計(jì)、制造和性能評(píng)估方面的詳細(xì)過(guò)程，為未來(lái)在醫(yī)療監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4

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