中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
心血管疾?。–VD）已成為全球最重要的健康問題之一。根據(jù)世界心臟聯(lián)合會2021年的報(bào)告，心血管疾病每年造成約2050萬人死亡，約占全球死亡人數(shù)的三分之一。持續(xù)監(jiān)測血壓波動(dòng)對于疾病預(yù)防、進(jìn)展跟蹤和指導(dǎo)治療至關(guān)重要。在臨床環(huán)境中已廣泛采用傳統(tǒng)的充氣袖帶血壓測量裝置，但由于其體積大、操作復(fù)雜以及對血液循環(huán)的潛在干擾，無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)血壓監(jiān)測。通過分析脈搏波或心率的無袖帶血壓監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為一種可行的方法。然而，這些方法仍面臨準(zhǔn)確性及可靠性的相關(guān)挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)以完善其性能。
近年來，對脈搏傳感器技術(shù)的研究推動(dòng)了基于力感測原理的各種電學(xué)傳感器的發(fā)展，包括壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式等。然而，這些力傳感器經(jīng)常面臨信號準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的問題。相比之下，光學(xué)傳感器因其高精度和檢測細(xì)微脈搏波的能力而廣受認(rèn)可，不過，它們?nèi)匀幻媾R組裝挑戰(zhàn)。聚二甲基硅氧烷（PDMS）以其優(yōu)越的機(jī)械性能和出色的成型性而聞名，已廣泛應(yīng)用于各種力傳感器。人們正在探索PDMS薄膜應(yīng)用微米和納米級圖案化技術(shù)，以提高其靈敏度和穩(wěn)定性。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，清華大學(xué)深圳國際研究生院、南方科技大學(xué)微電子學(xué)院、香港大學(xué)電機(jī)及電子工程學(xué)系和香港科技大學(xué)（廣州）微電子研究中心的研究人員在ACS Sensors期刊上發(fā)表了一篇題為“Transfer Learning Enhanced Blood Pressure Monitoring Based on Flexible Optical Pulse Sensing Patch”的論文。該研究介紹了一種用于無袖帶血壓監(jiān)測的新型光學(xué)脈搏傳感貼片（OPSP）。該傳感器具有單片集成氮化鎵（GaN）光電芯片和微納米結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜，并由利用遷移學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)處理算法提供支持。
圖1 新型光學(xué)脈搏傳感貼片（OPSP）示意圖
研究人員從中醫(yī)“寸、關(guān)、尺”診脈方法中獲得靈感，在柔性基板上安裝了三個(gè)相同的傳感單元以捕獲橈動(dòng)脈的多個(gè)脈搏信號。對于血壓數(shù)據(jù)擬合，研究人員使用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（1D-CNN）、長短期記憶（LSTM）和小波變換（WT）結(jié)合遷移學(xué)習(xí)（TL），無需大量校準(zhǔn)，便可對新用戶進(jìn)行準(zhǔn)確的血壓監(jiān)測。遷移學(xué)習(xí)通過從更廣泛的人群中學(xué)習(xí)通用特征來解決個(gè)體差異問題，最小化個(gè)體差異，使模型能夠適應(yīng)具有有限校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的新用戶。
PDMS薄膜及其表征
該P(yáng)DMS薄膜的制造工藝涉及利用具有圓頂形圖案陣列的圖案化藍(lán)寶石襯底作為轉(zhuǎn)移模具。澆注和固化PDMS凝膠，獲得反向圖案。所制造的PDMS薄膜具有微米尺度的蜂窩圖案，并通過納米尺度的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)。這種獨(dú)特的配置提高了傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性和檢測范圍。薄膜內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)在較小的力下就會變形，顯著增強(qiáng)了靈敏度。同時(shí)，蜂窩微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此外，凹面微結(jié)構(gòu)上的納米結(jié)構(gòu)能夠在施加的壓力下逐漸接觸和變形，進(jìn)而擴(kuò)展了傳感范圍。
GaN光電器件的特性
GaN光電器件包含一個(gè)LED和一個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的光電探測器（PD）。圖1E顯示了包含三個(gè)GaN光電器件（間隔1 cm，封裝在一個(gè)柔性基板上）的貼片。圖1F顯示了在測量過程中將貼片附著在手腕上，其柔性封裝可以更貼近橈動(dòng)脈。圖2A示出了柔性印刷電路板上帶有PDMS薄膜的GaN光電器件爆炸圖。它由InGaN/GaN多量子阱（MQW）組成，中心區(qū)域作為LED，外圍區(qū)域充當(dāng)PD。注入電流時(shí)，LED的發(fā)光由MQW中的載流子重組觸發(fā)。在藍(lán)寶石和周圍介質(zhì)之間的邊界處發(fā)生的全內(nèi)反射將反射光引導(dǎo)到PD，MQW中的光吸收產(chǎn)生載流子，隨后產(chǎn)生光電流。盡管存在斯托克斯位移，但PD的吸收譜與LED的發(fā)射譜之間仍存在重疊。
圖2 GaN光電器件的性能及表征
圖3 力傳感器的性能測試
基于遷移學(xué)習(xí)的血壓擬合
在機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的血壓估算中，盡管個(gè)體之間的脈搏信號數(shù)據(jù)集存在差異，但要提取的基本信號特征保持一致。在這項(xiàng)研究中，研究人員利用OPSP獲取的兩點(diǎn)脈沖信號，采用1D-CNN、LSTM和WT的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來估算血壓。如圖4所示，遷移學(xué)習(xí)模型包括多點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，接著使用1D-CNN、LSTM和WT進(jìn)行特征提取和映射。通過全連接層和血壓模型建立最終的連接。最終的血壓，通過使用微調(diào)數(shù)據(jù)集對預(yù)測的血壓進(jìn)行線性補(bǔ)償獲得。在這個(gè)模型中，特征提取層作為遷移學(xué)習(xí)過程的一部分被預(yù)訓(xùn)練和凍結(jié)，而全連接層則作為遷移學(xué)習(xí)的微調(diào)層。預(yù)訓(xùn)練層可以轉(zhuǎn)移到新用戶，無需重新訓(xùn)練整個(gè)模型，大大簡化了新用戶的適應(yīng)過程。這種方法不僅減少了訓(xùn)練所需要的數(shù)據(jù)集，還提高了效率和適用性。
圖4 遷移學(xué)習(xí)模型架構(gòu)
總結(jié)來說，這項(xiàng)研究提出了一種面向無袖帶血壓監(jiān)測的新型光學(xué)脈搏傳感貼片。所述傳感單元利用具有微納結(jié)構(gòu)PDMS膜的單片集成GaN器件構(gòu)建。其力傳感器展示了0～10 N的感應(yīng)范圍，在0～1 N范圍內(nèi)具有94.4 uA/N的高靈敏度。并且表現(xiàn)出令人印象深刻的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間為0.79 ms，恢復(fù)時(shí)間為2.8 ms。此外，該傳感器達(dá)到49 uN的最小檢測限，并在4000次循環(huán)測試中保持了一致的性能。該光學(xué)脈搏傳感貼片將三個(gè)力傳感器集成在一個(gè)柔性基底上，以檢測沿橈動(dòng)脈的脈搏波，提供心率、心率變異性、脈搏波傳導(dǎo)速度（PWV）的測量結(jié)果作為心血管健康的指標(biāo)。遷移學(xué)習(xí)能夠以最少的校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)高精度的血壓擬合，符合AAMI和BHS標(biāo)準(zhǔn)。這種與智能傳感器的集成為推進(jìn)傳感平臺以及增強(qiáng)患者護(hù)理帶來了巨大前景，有望實(shí)現(xiàn)對精神壓力和身體活動(dòng)水平的持續(xù)監(jiān)測
