可穿戴傳感器的發(fā)展在近些年非常迅速。目前，全球主要的消費(fèi)電子公司大多都推出了專屬的可穿戴產(chǎn)品，例如蘋果的 Apple Watch、微軟的 Microsoft Band 以及華為的 Huawei Watch 等。不過這些設(shè)備大多都裸露在皮膚外，容易受到環(huán)境溫度等外部因素影響。
圖丨上海交通大學(xué)“微米納米加工技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”楊卓青團(tuán)隊(duì)，二排左四是楊卓青教授（來源：楊卓青）
近日，上海交通大學(xué)“微米納米加工技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的楊卓青教授團(tuán)隊(duì)在 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 發(fā)表了關(guān)于原位睡眠呼吸監(jiān)測與鼻周期研究的最新論文，即《基于雙通道柔性可穿戴系統(tǒng)和深度學(xué)習(xí)輔助分析的長期睡眠呼吸監(jiān)測》（Long-Term Sleep Respiratory Monitoring by Dual-Channel Flexible Wearable System and Deep Learning-aided Analysis）[1]。
上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系博士研究生張浩東為論文第一作者，上海交通大學(xué)研究員楊卓青教授和上海市第六人民醫(yī)院耳鼻喉頭頸外科蘇開明教授（主任醫(yī)師）為論文共同通訊作者。
圖丨相關(guān)論文（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
這項(xiàng)成果利用可介入鼻腔內(nèi)部的可穿戴超細(xì)柔性傳感器，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)定環(huán)境下對人體睡眠時(shí)呼吸氣流的長時(shí)間、雙通道以及高精度的監(jiān)測。
為達(dá)到可以伸進(jìn)鼻腔的目的，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了 3D 旋轉(zhuǎn)曲面光刻系統(tǒng)，博士研究生張浩東成功制作了基于阻變原理的超柔細(xì)呼吸傳感器，該傳感器以外徑 300μm 的超細(xì)柔性聚酰亞胺管作為襯底。
該柔性監(jiān)測系統(tǒng)以類似“創(chuàng)可貼”的形式黏貼于嘴唇上方，再延伸出兩條非常細(xì)的傳感器，伸進(jìn)左右鼻腔內(nèi)部。
這種傳感器直徑相當(dāng)于 3 根頭發(fā)絲的粗細(xì)，與人體的鼻毛相當(dāng)，所以不會令佩戴者感到任何異物感。同時(shí)，因?yàn)樯烊氡乔粌?nèi)部，所以具有更穩(wěn)定、可靠的環(huán)境，不僅避免了受外部環(huán)境的影響，還能保持它的穩(wěn)定性和高靈敏度。
此外，還有一塊處理電路放在佩戴者的胳膊上。目前，該模塊的尺寸已能做到普通手機(jī)的三分之一，近似于半個(gè)手掌。并且，它與伸入鼻腔的兩根傳感器通過一條極細(xì)的導(dǎo)線相連，從而開展工作。不僅如此，該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一套睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，集傳感器、系統(tǒng)板、APP 于一體，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測呼吸信號，持續(xù)時(shí)間高達(dá) 8 小時(shí)以上。
（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
事實(shí)上早在楊卓青以日本學(xué)術(shù)振興會外國人特別研究員（JSPS Fellow）身份留學(xué)日本時(shí)，他就已開始了相關(guān)研究工作，此次所研制的創(chuàng)新設(shè)備更是能夠成功地在微細(xì)圓柱/圓管（柔性或剛性）表面上實(shí)現(xiàn)多種微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）傳感器或微結(jié)構(gòu)的原位 3D 集成制造，并具備可控自動變焦功能，解決了不同功能材料薄膜在微細(xì)圓柱/圓管形襯底上的多層精確圖形化難題，為類似介入式/植入式超細(xì) MEMS 器件的 3D 集成制造開辟了一條全新的技術(shù)途徑。
楊卓青談到，這項(xiàng)研發(fā)的起因是他去醫(yī)院就診時(shí)，在與蘇開明教授聊天時(shí)，兩人產(chǎn)生將柔性傳感器伸進(jìn)鼻腔做呼吸監(jiān)測的想法。
他們認(rèn)為，阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥（Obstructive sleep apneahypopnea syndrome， OSAHS）在睡眠過程中使呼吸氣流反復(fù)發(fā)生非自愿停止或減少，多表現(xiàn)為睡眠打鼾、憋氣、覺醒等，這容易引起睡眠質(zhì)量差、日間嗜睡、注意力渙散等問題。
但若能在早期對睡眠呼吸進(jìn)行監(jiān)測，就能較好的預(yù)防該�？涩F(xiàn)有的醫(yī)用監(jiān)測儀器使用繁瑣，造價(jià)很高。所以在受到各類生物醫(yī)學(xué)診斷的啟發(fā)后，楊卓青決定嘗試用超細(xì)柔性傳感器代替現(xiàn)有儀器。驚喜的是，這種傳感器在原位呼吸監(jiān)測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
因?yàn)樗粌H具有柔性可穿戴傳感器體積孝重量輕的優(yōu)勢，還避免了很多柔性傳感器佩戴舒適度差、抗干擾性差、測量時(shí)間短等問題。
（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)在和其他專家的探討中發(fā)現(xiàn)同時(shí)監(jiān)測左右兩側(cè)鼻氣流的信號具有重要意義。實(shí)際上人體兩個(gè)鼻腔的呼吸信號是存在差異的，而這種差異性主要體現(xiàn)在鼻周期上。
而“鼻周期”是指人體左右鼻甲黏膜的交替性收縮和擴(kuò)張，導(dǎo)致常常一側(cè)鼻腔堵塞/氣流減弱，而另一側(cè)鼻腔暢通/氣流增強(qiáng)的現(xiàn)象。這是一種持續(xù)的自然生理現(xiàn)象。
但受限于以往的實(shí)驗(yàn)條件和儀器，關(guān)于鼻周期的研究進(jìn)行得比較困難，其生理學(xué)功能和意義并不明確。楊卓青團(tuán)隊(duì)在與蘇開明團(tuán)隊(duì)合作后，通過研發(fā)的超細(xì)柔性傳感器，進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，成功地觀測到了健康佩戴者的鼻周期現(xiàn)象，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了不同種類的鼻周期信號。
（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
“它也可以監(jiān)測到其他的一些癥狀，最近我們就發(fā)現(xiàn)，這與睡眠分期是有關(guān)系的。比如發(fā)生鼻周期轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)，處于睡眠分期的某一期。例如抑郁或焦慮癥患者，他的鼻周期就可能發(fā)生紊亂，在睡眠過程中鼻腔氣流強(qiáng)弱就會發(fā)生多次轉(zhuǎn)換。通過對鼻周期變化的分析，可以作為重要依據(jù)去診斷一些精神狀態(tài)的疾病，甚至是腦部疾病，這都是非常好的研究方向。”楊卓青說道。
他表示：“我們團(tuán)隊(duì)目前的一個(gè)挑戰(zhàn)和目標(biāo)，就是如何將這個(gè)電路模塊做到更校可以做到手表、項(xiàng)鏈或是骨傳導(dǎo)耳機(jī)那般，提高佩戴者的舒適性。”不僅如此，他們還面臨如何將這種傳感器做到量產(chǎn)以及如何獲得正式醫(yī)療器械注冊認(rèn)證等難關(guān)。
目前，該項(xiàng)研究成果已申請/授權(quán)一系列發(fā)明專利，并獲得多個(gè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目獎(jiǎng)項(xiàng)，正在開展產(chǎn)業(yè)化合作和進(jìn)一步的臨床實(shí)驗(yàn)。
楊卓青表示：“目前，核心的傳感器需要經(jīng)過類似諸如光刻、刻蝕、濺射等一道道工序才能做出來，所以造價(jià)較高。如果未來能將制造成本降下來，一套設(shè)備可能就需要幾百塊，那時(shí)走進(jìn)千家萬戶就指日可待了。”
圖丨利用 3D 旋轉(zhuǎn)曲面光刻系統(tǒng)在超細(xì)圓柱/針尖襯底上加工的各種微納傳感器單元（來源：楊卓青）
展望未來，他表示，團(tuán)隊(duì)目前所開發(fā)的 3D 旋轉(zhuǎn)投影光刻技術(shù)不但在各類生物醫(yī)用超細(xì)介入/植入式器件中發(fā)揮著重要作用，而且在其他工業(yè)領(lǐng)域中也具有普遍應(yīng)用價(jià)值，可以將各類傳感器原位加工制造在裝備部件上，實(shí)現(xiàn)真正的完全集成化。
例如，該團(tuán)隊(duì)已在醫(yī)美行業(yè)中所用的黃金微針表面上原位制造了高精度薄膜溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)射頻黃金微針介入表皮治療時(shí)溫度的實(shí)時(shí)反饋；課題組也成功研制了超細(xì)流速傳感器，可進(jìn)入特種裝備的狹窄管道內(nèi)進(jìn)行流速/流量的精確測定等。
參考資料：
1.H. Zhang, et al., “Long-Term Sleep Respiratory Monitoring by Dual-Channel Flexible Wearable System and Deep Learning-aided Analysis,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. (2023).https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10163891
2. Z. Yang, et al., “Flexible Implantable Microtemperature Sensor Fabricated on Polymer Capillary by Programmable UV Lithography With Multilayer Alignment for Biomedical Applications,” IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 1, pp. 2129, Feb. 2014, doi: 10.1109/JMEMS.2013.2269674.
3. Z. Yang, et al., “A Novel MEMS Compatible Lab-on-a-tube Technology,” Lab on A Chip, 2014, 14, 4604-4608, doi: 10.1039/C4LC00997E.
4. H. Zhang, et al., “A Flexible Implantable Polyimide Catheter Device for Targeted Treatment of Cardiovascular Diseases by Aggregating Magnetic Nanoparticles,” IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 6, pp. 911917, Jun. 2021, doi: 10.1109/TCPMT.2021.3082923.
5. H. Zhang, et al., “A Wearable Ultrathin Flexible Sensor Inserted Into Nasal Cavity for Precise Sleep Respiratory Monitoring,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 8, pp. 40904097, Aug. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3087453.
6. 張浩東，蘇開明，殷善開，楊卓青*. 柔性可穿戴式呼吸傳感監(jiān)測系統(tǒng)研究進(jìn)展，功能材料與器件學(xué)報(bào)，2021，4(11)， 281-291.
