一种基于柔性生物阻抗电极的传感器系统设计

★  研究背景

预计环境变化会引起牡蛎的应激反应，影响其活力和肉质。然而，实时监测牡蛎的应激水平仍然具有挑战性。在本研究中，中国农业大学张小栓教授团队开发了一种柔性生物阻抗传感器系统，用于实时监测牡蛎在不同应激方案下的生物阻抗和相位角。为了适应牡蛎标本的双壳结构，采用了3个生物阻抗测量位置，即右-右壳、左-左壳和左-右壳。首先建立了基于主成分分析结合支持向量机(PCA-SVM)的应力水平预测模型，并对柔性传感器系统的性能进行了评价。结果表明，该柔性传感器系统具有较高的精度和稳定性。最佳预测位置(右-右-壳)的平均准确率、召回率和f1得分分别为95.15%、93.94%和93.94%。本研究结果可推广到其他活体动物应激监测应用，为监测活体动物健康状况提供一种手段。

★  文章解析

研究采用两个柔性电极对牡蛎的生物阻抗和相位角进行了无损测量。采用Right-Right-Shell、Left-Left-Shell和Left-Right-Shell三种生物阻抗测量位置来适应牡蛎的双壳结构，如图1(a)、(b)和(c)所示。图1(d)为牡蛎的生物阻抗传感机制。电极粘附在牡蛎壳表面，激发信号通过电极和牡蛎壳传导到牡蛎组织和细胞。生物组织的细胞膜具有电容性，而细胞内液和细胞外液具有电阻性。在低频时，激励信号难以通过具有大电容抗的细胞膜。随着频率的增加，电流穿过细胞膜，形成内部导电电路，导致生物阻抗和细胞膜容抗降低。本研究采用矢量电压/电流法测量牡蛎的生物阻抗和相角，如图1(e)所示。

图1：生物阻抗测量位置和传感机制

设计了一种尺寸为130 mm × 60 mm × 25 mm的基于柔性生物阻抗电极(尺寸为50 mm × 50 mm)的传感器系统，用于获取活体牡蛎的生物阻抗和相角信息。主要包括控制器(Arduino Nano)、存储模块(MicroSD模块)、通信模块(JDY-31)、生物阻抗测量模块(AD5933)和柔性生物阻抗传感电极，如图2所示。

图 2：柔性传感器系统设计

采用柔性电极监测牡蛎的生物阻抗和相位角，如图3(a)所示。柔性电极的厚度为1089.699 μm，各层厚度如图3(b)所示。非织造布层、导电层、凝胶层、包封层的厚度从下到上依次为332.704 μm、56.697 μm、603.727 μm、96.571 μm。凝胶层被设计得更厚，以提高电极的柔韧性、粘性和吸水性。柔性电极的非织造布纤维尺寸约为27 μm。轧制点采用热轧工艺生产。非织造布层具有绝缘、透气性和不透水性，有效地将电极与环境水隔离，如图3(c)和(d)所示。致密导电碳膜层与掺杂碳纤维长丝的硅胶层的结合，在传感器系统与牡蛎之间形成了有效的导电通道，如图3(e)和(f)所示。如图3(g)所示，透明硅胶造成的直径约为25 μm。考虑牡蛎自身水分的影响，采用接触角仪测试电极的吸水性能。初始电极接触角为71.14◦，10分钟后逐渐减小至稳定(36.09◦)。左接触角略大于右接触角。结果表明，良好的亲水性可以提高电极的柔韧性和导电性，同时减少电极粘附位置的位移和凝胶层水分的损失，如图6(h)所示。

图 3：柔性电极形貌表征

系统精度和稳定性的性能分析如图4所示。首先，在激励电压为2 Vp-p、1 Vp-p、0.4Vp-p和0.2 Vp-p的情况下，使用标准电阻对所设计的柔性生物阻抗传感器系统的精度进行了校准和测试。如图4(a)所示，在激励电压为2 Vp-p和1Vp-p的情况下，测量结果在每个频率下都更加稳定。然而，为了避免破坏牡蛎的体内平衡，对传感器系统施加了1Vp-p的激励电压。此外，测试了柔性电极的弯曲稳定性和吸水稳定性，如图4(b)和(c)所示。在每个频率下，随着弯曲角度的增大，电极阻抗和相位角逐渐增大。电极阻抗和相位角随着吸水率的增加而逐渐减小。吸水后电极相角比吸水前增大。虽然与牡蛎阻抗相比，测量的电极阻抗可以忽略不计，但长期运行时更重要的是关注电极阻抗的稳定性。如图44(d)所示，在最大弯曲(135◦)和吸水(3 mL)后，测量电极阻抗和相位角近30,000 s。最大弯曲和吸水后电极阻抗的相对变化率分别为4.82%和1.18%。相角的相对变化率分别为2.38%和2.43%。电极阻抗和相角变化不显著，柔性电极仍能正常工作。因此，设计的柔性生物阻抗传感器系统实现了牡蛎生物阻抗和相位角的监测。

图 4：系统性能测试

图 5：生物阻抗和相位角在不同测量位置的变化

牡蛎在不同测量位置的生物阻抗和相位角的动态变化如图5所示。三个测量位置的生物阻抗和相位角结果随时间的变化相似。牡蛎的生物阻抗和相位角先增大后减小，最后逐渐稳定。在左-左壳体位置测得的生物阻抗和相位角范围较大。原因可能是牡蛎的左壳凹凸不平，阻碍了电流的传输。牡蛎的生物阻抗随频率的增加而减小，而相位角则相反。在低频时，激励信号仅通过细胞外液，从而丢失细胞内信息。相反，在高频率下，信号可以穿过细胞膜，导致更小的生物阻抗和更大的相角。随着频率的增加，细胞膜的电容特性减弱，导致高频之间生物阻抗和相角值的可变性降低。因此，生物阻抗和相位角随频率的动态变化反映了牡蛎细胞膜的电容特性。在胁迫期开始时，生物阻抗和相位角有轻微增大的趋势。一方面，可能是牡蛎在无水环境中的水分耗散降低了组织电导率。另一方面，实验准备期引发的牡蛎细胞应力损伤得到修复。这使得生物阻抗从最初的下降中恢复。但随着胁迫水平的增加，牡蛎的生存能力相应降低。空气暴露和低温胁迫改变了牡蛎细胞膜的流动性，引起组织损伤。牡蛎组织变质，细胞膜溶解破裂。牡蛎组织逐渐从电阻和电容混合状态转变为纯电阻状态。在此条件下，牡蛎的相位角逐渐接近0◦，生物阻抗降低。

根据皮质醇和乳酸分析活牡蛎的应激水平，如图6所示。皮质醇和乳酸在空气暴露、温度波动和缺氧环境下同步变化，以响应牡蛎的应激水平。根据皮质醇和乳酸的变化，将牡蛎的应激水平分为急性应激期(S1)、适应性应激期(S2)和稳定应激期(S3)。急性应激期和适应应激期皮质醇和乳酸的日平均变化均高于稳定应激期。在早期应激期，由于空气暴露和低温，牡蛎能够通过各种代谢调节来适应内外环境的变化。然而，慢性应激会降低牡蛎的活力和身体代谢水平，导致皮质醇和乳酸水平的缓慢变化。

图 6：生理指标的动态变化

图 7：基于PCA-SVM的应激预测

如图7所示，在使用SVM模型预测牡蛎的应力水平之前，对模型因子进行交叉验证优化。交叉验证结果表明，gamma值为6的多项式核函数(poly)最适合SVM模型。在右-右-壳、左-右-壳和左-左-壳测量位置的准确度分别为93.94%、93.94%和90.91%。与更厚、更不均匀的左壳相比，电极与右壳表面的粘附更紧密，电流路径更稳定。在右-右壳和左-右壳测量位置预测精度较高。

审核编辑：刘清