圖片來源：University of Waterloo

導讀：
研究人員利用3D打印技術和納米技術，為可穿戴設備制造了一種既耐用又靈活的傳感器，可用于從監(jiān)測生命體征到追蹤運動表現等一切情況。這項新技術由滑鐵盧大學工程師開發(fā)，將硅橡膠與超薄石墨烯層結合在一起形成一種新材料，是制作腕帶或跑步鞋鞋墊的理想材料。當橡膠材料彎曲或移動時，高導電性的納米級石墨烯就會產生電信號，這種石墨烯嵌在其設計的蜂窩狀結構中。

“硅樹脂為我們提供了生物監(jiān)測應用所需的靈活性和耐久性，而添加的嵌入式石墨烯使其成為一種有效的傳感器。” 滑鐵盧大學多尺度增材制造(MSAM)實驗室的研究主任Ehsan Toyserkani說，“這一切都集中在一個單一的部分?！?br />
只有使用最先進3D打印技術——也被稱為加法制造——的設備和工藝，才能制造出具有如此復雜內部特征的硅橡膠結構。

這種橡膠-石墨烯材料除了具有高導電性外，還具有極高的柔韌性和耐用性。

“它可以在最惡劣的環(huán)境中使用，即使是在極端的溫度和濕度下。”滑鐵盧大學工程學博士生、該項目負責人埃爾哈姆•達烏迪(Elham Davoodi)說?！八踔量梢阅芨愕囊路黄鹣??！?br />
這種材料和3D打印工藝使定制的設備能夠精確地適合用戶的體型，同時與現有的可穿戴設備相比也提高了舒適度，并由于簡單而降低了制造成本。

Toyserkani是機械和機電工程的教授，他說這種橡膠石墨烯傳感器可以與電子元件搭配使用，制成可穿戴設備，記錄心率和呼吸頻率，記錄運動員跑步時施加的力量，讓醫(yī)生遠程監(jiān)控病人，以及其它許多潛在的應用。

來自加利福尼亞大學、洛杉磯分校和英屬哥倫比亞大學的研究人員共同參與了這個項目。

這項研究的最新系列論文《為可穿戴生物監(jiān)測制作3D打印超堅固表面摻雜多孔硅傳感器》發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

可穿戴式傳感器的發(fā)展

隨著過去幾十年衛(wèi)生保健的改善，如今，工業(yè)化國家的居民壽命更長，但健康狀況往往復雜多樣。急性創(chuàng)傷的存活率也有所提高，但這與嚴重殘疾患者數量的增加有關。從流行病學的角度來看，美國“嬰兒潮”一代現在已經到了開始對醫(yī)療保險制度產生嚴重壓力的年齡。不止是美國，高度工業(yè)化國家的醫(yī)療保健系統(tǒng)都將面臨類似的嚴峻挑戰(zhàn)。

這些變化的人口結構提出了一些基本問題：我們如何照顧越來越多患有復雜疾病的人？我們如何為那些無法獲得醫(yī)療服務的人提供高質量的醫(yī)療服務？我們如何最大限度地提高越來越多的老年人的獨立性和參與性?

顯然，回答這些問題將是復雜的，需要我們改變組織和支付醫(yī)療保健的方式。然而，部分解決方案可能在于我們如何以及在何種程度上利用信息技術和相關領域的最新進展。目前，一些技術大有希望擴大衛(wèi)生保健系統(tǒng)的能力，將其范圍擴大到社區(qū)，改進診斷和監(jiān)測，并最大限度地提高個人的獨立性和參與性?？纱┐骷夹g的遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是一種，而且，最近可穿戴傳感器系統(tǒng)的發(fā)展帶來了許多令人興奮的臨床應用。

可穿戴傳感器具有診斷和監(jiān)測應用。它們目前的功能包括生理和生化傳感，以及運動傳感。生理監(jiān)測可以幫助診斷和治療大量患有神經、心血管和肺部疾病(如癲癇、高血壓、閱讀障礙和哮喘)的患者。基于家庭的運動感應可能有助于預防跌倒，并有助于最大限度地提高個人的獨立性和社區(qū)參與。

對康復感興趣的生理監(jiān)測包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和肌肉活動。從這些監(jiān)測中提取的參數可以提供健康狀況的指標，具有極大的診斷價值。以前，只有在醫(yī)院環(huán)境中才能對生理參數進行連續(xù)監(jiān)測。但是今天，隨著可穿戴技術領域的發(fā)展，精確、連續(xù)、實時監(jiān)測生理信號成為可能。

在可穿戴系統(tǒng)中集成生理監(jiān)測通常需要巧妙的設計和新穎的傳感器定位。例如，Asada等人提出了一種用于測量血氧飽和度(SpO2)和心率的環(huán)形傳感器設計。環(huán)形傳感器是完全獨立的。戴在手指上像戒指一樣，它集成了減少運動偽影的技術，旨在提高測量精度。環(huán)形傳感器的應用范圍從高血壓的診斷到充血性心力衰竭的治療。隨后，同一研究小組開發(fā)了一種獨立的可穿戴式無袖光電脈搏波(PPG)血壓監(jiān)測儀。該傳感器集成了一個基于兩個微機電系統(tǒng)（MEMS）加速度計的新型高度傳感器，用于測量PPG傳感器相對于心臟的靜水壓力偏移。平均動脈血壓來自于PPG傳感器輸出振幅，它考慮了傳感器相對于心臟的高度。

另一個巧妙設計的例子是Corbishley等人利用小型可穿戴式聲傳感器(如麥克風)開發(fā)測量呼吸頻率的系統(tǒng)。將麥克風置于頸部，記錄與呼吸相關的聲學信號，通過帶通濾波得到信號調制包。通過開發(fā)過濾環(huán)境噪聲和其他人為干擾的技術，研究人員成功地達到了90%以上的呼吸率測量精度。此外，他們還提出了一種基于上述傳感技術的呼吸暫停檢測算法。

近年來，柔性電路領域的發(fā)展和傳感技術與可穿戴設備的融合，使生理監(jiān)測受益匪淺。Patterson等人介紹了一種用于心率監(jiān)測的耳戴式、柔性、低功耗PPG傳感器。由于傳感器的位置和不顯眼的設計，它適合長期監(jiān)測。雖然這種類型的系統(tǒng)已經顯示出有希望的結果，但似乎需要進行額外的工作來實現運動偽影的減少。適當降低運動偽影對可穿戴傳感器的部署至關重要。一些由于運動產生的問題可以通過將傳感器集成到裝套中來最小化。Lanata等人對不同穿戴式呼吸功能監(jiān)測系統(tǒng)進行了比較分析。分析結果表明，壓電氣體造影比肺活量法具有更好的檢測效果。盡管如此，在信號處理技術的進一步發(fā)展，以減輕運動偽影是有需要的。

生物化學傳感器近年來引起了可穿戴技術領域研究人員的極大興趣。這些類型的傳感器可用于監(jiān)測生物化學以及大氣中化合物的水平(例如，便于監(jiān)測在危險環(huán)境中工作的人)。從設計的角度來看，生化傳感器可能是最復雜的，因為它們通常需要收集、分析和處理體液。穿戴式生化傳感器領域的研究進展緩慢，但隨著微納米制造技術的發(fā)展，近年來研究的步伐有所加快。例如，Dudde等人開發(fā)了一種微創(chuàng)可穿戴閉環(huán)準連續(xù)藥物輸注系統(tǒng)，可以測量血糖水平并自動注射胰島素。葡萄糖監(jiān)測器由一種新型的硅傳感器組成，它利用微灌注技術連續(xù)測量葡萄糖水平，而胰島素的持續(xù)輸注是通過一種改良的高級胰島素泵實現的。該設備集成了藍牙通信功能，用于顯示和記錄數據，并接收來自個人數字助理(PDA)設備的命令。

在歐盟委員會的支持下，作為BIOTEX項目的一部分，一系列生物化學傳感器已經被開發(fā)出來。具體來說，BIOTEX項目涉及將生化傳感器集成到紡織品中，用于監(jiān)測體液。在這個項目中，研究人員開發(fā)了一種基于紡織品的流體收集系統(tǒng)和傳感器，用于體內外測試人體汗液的pH值、鈉和電導率。通過可穿戴系統(tǒng)的體內外測試，研究人員已經證明，該系統(tǒng)可以用于體育活動中汗液的實時分析。

作為一個類似項目ProeTEX的一部分，Curone等人為消防員開發(fā)了一種可穿戴的傳感服裝，它集成了一個二氧化碳傳感器來測量運動、環(huán)境和體溫、位置、血氧飽和度、心率和呼吸速率。ProeTEX系統(tǒng)可以向消防員發(fā)出潛在危險環(huán)境的警告，并向控制中心提供有關他們健康狀況的信息。上述項目開發(fā)的系統(tǒng)可用于設計用于遠程健康監(jiān)測應用的基于電子紡織的可穿戴系統(tǒng)。

與此同時，人們對開發(fā)“芯片實驗室”系統(tǒng)越來越感興趣。這樣的系統(tǒng)可以通過使測試和診斷快速、廉價且容易獲得，從而徹底改變醫(yī)療點測試和診斷。Wang等人開發(fā)了一種集成了pH值和溫度傳感器的系統(tǒng)芯片(SOC)，用于遠程監(jiān)控應用。他們的SOC包括通用傳感器接口、ADC、微控制器、數據編碼器和頻移鍵控射頻發(fā)射機。類似地，Ahn等人開發(fā)了一種低成本的一次性塑料芯片實驗室設備，用于血液氣體濃度和葡萄糖等參數的生化檢測。該生物芯片包含一個用于檢測多個參數的集成生物傳感器陣列，并使用被動微流控系統(tǒng)代替主動微流控泵。

圖片來源：University of Waterloo

導讀：
研究人員利用3D打印技術和納米技術，為可穿戴設備制造了一種既耐用又靈活的傳感器，可用于從監(jiān)測生命體征到追蹤運動表現等一切情況。這項新技術由滑鐵盧大學工程師開發(fā)，將硅橡膠與超薄石墨烯層結合在一起形成一種新材料，是制作腕帶或跑步鞋鞋墊的理想材料。當橡膠材料彎曲或移動時，高導電性的納米級石墨烯就會產生電信號，這種石墨烯嵌在其設計的蜂窩狀結構中。

“硅樹脂為我們提供了生物監(jiān)測應用所需的靈活性和耐久性，而添加的嵌入式石墨烯使其成為一種有效的傳感器。” 滑鐵盧大學多尺度增材制造(MSAM)實驗室的研究主任Ehsan Toyserkani說，“這一切都集中在一個單一的部分?！?br />
只有使用最先進3D打印技術——也被稱為加法制造——的設備和工藝，才能制造出具有如此復雜內部特征的硅橡膠結構。

這種橡膠-石墨烯材料除了具有高導電性外，還具有極高的柔韌性和耐用性。

“它可以在最惡劣的環(huán)境中使用，即使是在極端的溫度和濕度下。”滑鐵盧大學工程學博士生、該項目負責人埃爾哈姆•達烏迪(Elham Davoodi)說?！八踔量梢阅芨愕囊路黄鹣??！?br />
這種材料和3D打印工藝使定制的設備能夠精確地適合用戶的體型，同時與現有的可穿戴設備相比也提高了舒適度，并由于簡單而降低了制造成本。

Toyserkani是機械和機電工程的教授，他說這種橡膠石墨烯傳感器可以與電子元件搭配使用，制成可穿戴設備，記錄心率和呼吸頻率，記錄運動員跑步時施加的力量，讓醫(yī)生遠程監(jiān)控病人，以及其它許多潛在的應用。

來自加利福尼亞大學、洛杉磯分校和英屬哥倫比亞大學的研究人員共同參與了這個項目。

這項研究的最新系列論文《為可穿戴生物監(jiān)測制作3D打印超堅固表面摻雜多孔硅傳感器》發(fā)表在《ACS Nano》雜志上。

可穿戴式傳感器的發(fā)展

隨著過去幾十年衛(wèi)生保健的改善，如今，工業(yè)化國家的居民壽命更長，但健康狀況往往復雜多樣。急性創(chuàng)傷的存活率也有所提高，但這與嚴重殘疾患者數量的增加有關。從流行病學的角度來看，美國“嬰兒潮”一代現在已經到了開始對醫(yī)療保險制度產生嚴重壓力的年齡。不止是美國，高度工業(yè)化國家的醫(yī)療保健系統(tǒng)都將面臨類似的嚴峻挑戰(zhàn)。

這些變化的人口結構提出了一些基本問題：我們如何照顧越來越多患有復雜疾病的人？我們如何為那些無法獲得醫(yī)療服務的人提供高質量的醫(yī)療服務？我們如何最大限度地提高越來越多的老年人的獨立性和參與性?

顯然，回答這些問題將是復雜的，需要我們改變組織和支付醫(yī)療保健的方式。然而，部分解決方案可能在于我們如何以及在何種程度上利用信息技術和相關領域的最新進展。目前，一些技術大有希望擴大衛(wèi)生保健系統(tǒng)的能力，將其范圍擴大到社區(qū)，改進診斷和監(jiān)測，并最大限度地提高個人的獨立性和參與性?？纱┐骷夹g的遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是一種，而且，最近可穿戴傳感器系統(tǒng)的發(fā)展帶來了許多令人興奮的臨床應用。

可穿戴傳感器具有診斷和監(jiān)測應用。它們目前的功能包括生理和生化傳感，以及運動傳感。生理監(jiān)測可以幫助診斷和治療大量患有神經、心血管和肺部疾病(如癲癇、高血壓、閱讀障礙和哮喘)的患者。基于家庭的運動感應可能有助于預防跌倒，并有助于最大限度地提高個人的獨立性和社區(qū)參與。

對康復感興趣的生理監(jiān)測包括心率、呼吸頻率、血壓、血氧飽和度和肌肉活動。從這些監(jiān)測中提取的參數可以提供健康狀況的指標，具有極大的診斷價值。以前，只有在醫(yī)院環(huán)境中才能對生理參數進行連續(xù)監(jiān)測。但是今天，隨著可穿戴技術領域的發(fā)展，精確、連續(xù)、實時監(jiān)測生理信號成為可能。

在可穿戴系統(tǒng)中集成生理監(jiān)測通常需要巧妙的設計和新穎的傳感器定位。例如，Asada等人提出了一種用于測量血氧飽和度(SpO2)和心率的環(huán)形傳感器設計。環(huán)形傳感器是完全獨立的。戴在手指上像戒指一樣，它集成了減少運動偽影的技術，旨在提高測量精度。環(huán)形傳感器的應用范圍從高血壓的診斷到充血性心力衰竭的治療。隨后，同一研究小組開發(fā)了一種獨立的可穿戴式無袖光電脈搏波(PPG)血壓監(jiān)測儀。該傳感器集成了一個基于兩個微機電系統(tǒng)（MEMS）加速度計的新型高度傳感器，用于測量PPG傳感器相對于心臟的靜水壓力偏移。平均動脈血壓來自于PPG傳感器輸出振幅，它考慮了傳感器相對于心臟的高度。

另一個巧妙設計的例子是Corbishley等人利用小型可穿戴式聲傳感器(如麥克風)開發(fā)測量呼吸頻率的系統(tǒng)。將麥克風置于頸部，記錄與呼吸相關的聲學信號，通過帶通濾波得到信號調制包。通過開發(fā)過濾環(huán)境噪聲和其他人為干擾的技術，研究人員成功地達到了90%以上的呼吸率測量精度。此外，他們還提出了一種基于上述傳感技術的呼吸暫停檢測算法。

近年來，柔性電路領域的發(fā)展和傳感技術與可穿戴設備的融合，使生理監(jiān)測受益匪淺。Patterson等人介紹了一種用于心率監(jiān)測的耳戴式、柔性、低功耗PPG傳感器。由于傳感器的位置和不顯眼的設計，它適合長期監(jiān)測。雖然這種類型的系統(tǒng)已經顯示出有希望的結果，但似乎需要進行額外的工作來實現運動偽影的減少。適當降低運動偽影對可穿戴傳感器的部署至關重要。一些由于運動產生的問題可以通過將傳感器集成到裝套中來最小化。Lanata等人對不同穿戴式呼吸功能監(jiān)測系統(tǒng)進行了比較分析。分析結果表明，壓電氣體造影比肺活量法具有更好的檢測效果。盡管如此，在信號處理技術的進一步發(fā)展，以減輕運動偽影是有需要的。

生物化學傳感器近年來引起了可穿戴技術領域研究人員的極大興趣。這些類型的傳感器可用于監(jiān)測生物化學以及大氣中化合物的水平(例如，便于監(jiān)測在危險環(huán)境中工作的人)。從設計的角度來看，生化傳感器可能是最復雜的，因為它們通常需要收集、分析和處理體液。穿戴式生化傳感器領域的研究進展緩慢，但隨著微納米制造技術的發(fā)展，近年來研究的步伐有所加快。例如，Dudde等人開發(fā)了一種微創(chuàng)可穿戴閉環(huán)準連續(xù)藥物輸注系統(tǒng)，可以測量血糖水平并自動注射胰島素。葡萄糖監(jiān)測器由一種新型的硅傳感器組成，它利用微灌注技術連續(xù)測量葡萄糖水平，而胰島素的持續(xù)輸注是通過一種改良的高級胰島素泵實現的。該設備集成了藍牙通信功能，用于顯示和記錄數據，并接收來自個人數字助理(PDA)設備的命令。

在歐盟委員會的支持下，作為BIOTEX項目的一部分，一系列生物化學傳感器已經被開發(fā)出來。具體來說，BIOTEX項目涉及將生化傳感器集成到紡織品中，用于監(jiān)測體液。在這個項目中，研究人員開發(fā)了一種基于紡織品的流體收集系統(tǒng)和傳感器，用于體內外測試人體汗液的pH值、鈉和電導率。通過可穿戴系統(tǒng)的體內外測試，研究人員已經證明，該系統(tǒng)可以用于體育活動中汗液的實時分析。

作為一個類似項目ProeTEX的一部分，Curone等人為消防員開發(fā)了一種可穿戴的傳感服裝，它集成了一個二氧化碳傳感器來測量運動、環(huán)境和體溫、位置、血氧飽和度、心率和呼吸速率。ProeTEX系統(tǒng)可以向消防員發(fā)出潛在危險環(huán)境的警告，并向控制中心提供有關他們健康狀況的信息。上述項目開發(fā)的系統(tǒng)可用于設計用于遠程健康監(jiān)測應用的基于電子紡織的可穿戴系統(tǒng)。

與此同時，人們對開發(fā)“芯片實驗室”系統(tǒng)越來越感興趣。這樣的系統(tǒng)可以通過使測試和診斷快速、廉價且容易獲得，從而徹底改變醫(yī)療點測試和診斷。Wang等人開發(fā)了一種集成了pH值和溫度傳感器的系統(tǒng)芯片(SOC)，用于遠程監(jiān)控應用。他們的SOC包括通用傳感器接口、ADC、微控制器、數據編碼器和頻移鍵控射頻發(fā)射機。類似地，Ahn等人開發(fā)了一種低成本的一次性塑料芯片實驗室設備，用于血液氣體濃度和葡萄糖等參數的生化檢測。該生物芯片包含一個用于檢測多個參數的集成生物傳感器陣列，并使用被動微流控系統(tǒng)代替主動微流控泵。