中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
近年來(lái)，柔性可穿戴技術(shù)發(fā)展迅速，在醫(yī)療保健領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。人機(jī)交互，機(jī)器人觸覺(jué)，軍事和工業(yè)領(lǐng)域。在廣泛的臨床治療中，脈搏波信號(hào)一直被證明是重要的醫(yī)學(xué)參考指標(biāo)，可以有效地了解身體的健康狀況。屈肌動(dòng)脈的波動(dòng)與整個(gè)心臟的血液反射密切相關(guān)，可以提供豐富的信息，包括心臟健康、血壓平衡、血管老化、器官健康和睡眠質(zhì)量。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，對(duì)更全面的脈搏波信號(hào)（包括周期、脈寬、脈搏率和脈沖形狀）的需求變得越來(lái)越重要。為此，脈沖波的三維動(dòng)態(tài)重建被認(rèn)為是一種合適的解決方案。觸覺(jué) 3D 脈沖動(dòng)態(tài)重建可以集成到醫(yī)療機(jī)器人中，與計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位的醫(yī)療診斷。
對(duì)于人體來(lái)說(shuō)，指尖上的觸覺(jué)感受器總數(shù)超過(guò)2000個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何其他部位。在中醫(yī)把脈診斷中，從業(yè)者通過(guò)這些指尖感受器巧妙地捕捉患者的脈搏信號(hào)，并根據(jù)患者的脈搏形狀、速度、節(jié)奏、強(qiáng)度等具體信息判斷患者的身體狀態(tài)。整個(gè)過(guò)程如圖1a所示。因此，為了重建3D脈沖波，制備受中醫(yī)把脈啟發(fā)的高分辨率仿生觸覺(jué)傳感器陣列通常是一種有效的方法。值得注意的是，高分辨率包括高空間分辨率、時(shí)間分辨率和力分辨率。首先，為了收集脈沖波的空間分布特征，觸覺(jué)傳感器陣列應(yīng)具有與人類指尖感受器相當(dāng)?shù)拿芏?。然而，大量電信?hào)串?dāng)_的引入對(duì)圖像保真度提出了挑戰(zhàn)。其次，脈搏的跳動(dòng)頻率很高（成人的脈搏頻率為 60-100 次/分，兒童為 90 次/分，老年人為 55-60 次/分），因此需要超高的時(shí)間分辨率來(lái)捕捉整個(gè)周期信號(hào)的細(xì)節(jié)。此外，單次脈搏跳動(dòng)的力量約為 30-130 mgF，而醫(yī)生在測(cè)量脈搏時(shí)手部施加的壓力通常為 100-200g。
圖1、脈沖波信號(hào)采集過(guò)程。a） 用于脈搏診斷的醫(yī)生觸覺(jué)傳感。b） 用于脈沖診斷的機(jī)器人觸覺(jué)傳感。
隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，連續(xù)可靠的脈搏波監(jiān)測(cè)在生理評(píng)估和疾病診斷中的重要性顯著提高。其中，脈沖波的三維重建是必不可少的，需要依靠超高分辨率的傳感器陣列，即高空間分辨率、時(shí)間分辨率、力分辨率。本文，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院魏大鵬 研究員團(tuán)隊(duì)在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊發(fā)表名為“High-Resolution Carbon-Based Tactile Sensor Array for Dynamic Pulse Imaging”的論文，研究開(kāi)發(fā)了一種基于壓敏隧道機(jī)制的32×32柔性高密度觸覺(jué)傳感器陣列。通過(guò)掩模輔助等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）方法，在微金字塔結(jié)構(gòu)的硅襯底上沉積了共形石墨烯納米墻（GNWs）圖案陣列，并將其用作壓力敏感電極，從而實(shí)現(xiàn)了 64 點(diǎn)/cm2 的空間分辨率、高靈敏度（222.36 kPa-1）和短響應(yīng)時(shí)間（2 ms）。更重要的是，HfO2隧穿層能有效抑制噪聲電流，使其感應(yīng)到力分辨率為1/1000、信噪比為36.32 dB的弱壓信號(hào)。通過(guò)利用其高分辨率陣列，可以獲取更全面的脈沖信號(hào)，并成功復(fù)制脈沖波的 3D 形狀。這項(xiàng)工作表明，高分辨率傳感器在遠(yuǎn)程智能診斷中的應(yīng)用前景廣闊。
圖2、傳感器的結(jié)構(gòu)、傳感機(jī)理及制備工藝
圖3、傳感器的壓力傳感性能
圖4、傳感器的分辨率性能
圖5、a） 脈沖波的采集過(guò)程。b）脈沖波的時(shí)空分布圖。x軸表示時(shí)間，y軸表示距腕面橈動(dòng)脈中心的距離，z軸表示脈搏強(qiáng)度。c） 比較 30 分鐘前后五個(gè)隨機(jī)特征點(diǎn)的脈搏信號(hào)。d） 來(lái)自三名志愿者的脈沖波形。e） 志愿者 I 在運(yùn)動(dòng)前后的脈搏信號(hào)。f） 用手指改變壓力時(shí) CUN、GUAN 和 CHI 穴位的脈搏信號(hào)。g） 通過(guò)脈搏波 P1 峰值的時(shí)間差計(jì)算血流速率。
圖6、脈搏波的3D重建，用機(jī)械靈巧的手模擬實(shí)際診斷
綜上所述，我們開(kāi)發(fā)了一種基于壓敏隧道機(jī)制的柔性高分辨率觸覺(jué)傳感器陣列，可應(yīng)用于脈沖波遠(yuǎn)程智能診斷。得益于微金字塔結(jié)構(gòu)和 HfO2 隧道層的協(xié)同效應(yīng)，該傳感器具有高靈敏度（0-10 kPa，222.36 kPa-1）、寬量程（0-1 MPa）、高空間分辨率（64/cm2）和時(shí)間分辨率（響應(yīng)時(shí)間 = 2 ms，弛豫時(shí)間 = 5.9 ms）。更重要的是，由于 HfO2 層的噪聲抑制作用，高信噪比使該傳感器具有很高的力分辨率（1/1000），完全滿足微弱信號(hào)檢測(cè)的需要?；诿}沖采集系統(tǒng)，我們重建了壓力空間分布的三維動(dòng)態(tài)脈沖圖像。我們探索了脈搏波強(qiáng)度與血流量之間的關(guān)系。此外，我們還研究了一些實(shí)際脈搏波診斷場(chǎng)景，包括不同穴位（存、關(guān)、池）和不同壓力下的脈搏診斷（傅、鐘、陳），并證明了高分辨率傳感器的可用性。這項(xiàng)研究為脈搏波診斷提供了一種可視化方法，具有巨大的應(yīng)用潛力。
