新疆医科大学，清华大学：研究用于定量肺功能监测的可穿戴式热电呼吸传感系统

 

背景介绍

慢性呼吸系统疾病，例如慢性阻塞性肺疾病（COPD），是全球发病率和死亡率的主要原因之一，且其发病率还在不断上升。有效管理以预防急性加重并改善预后，关键在于对呼吸功能进行长期监测。虽然肺量计仍然是评估肺功能的临床金标准，但其依赖于笨重且操作人员依赖的设备，因此测量结果仅限于患者在诊室的“快照”状态，无法捕捉日常生活环境中动态的病理生理变化。现有的便携式肺量计虽然可以进行有限的家庭监测，但并非真正可穿戴或不引人注意，因此无法进行连续、高保真度的数据采集。因此，仍然存在一个关键的技术缺口：无法在真实世界环境中持续监测肺功能。这一局限性阻碍了早期发现病情恶化和制定个性化治疗策略。

为克服传统设备的局限性，可穿戴式呼吸监测技术取得了长足的进步。基于各种物理原理的传感器已被开发用于连续追踪呼吸信号。这些方法主要通过胸壁和腹壁运动学来追踪呼吸活动，采用的技术包括电阻应变传感器或从呼吸中收集能量的自供电摩擦纳米发电机。其他策略则利用集成在面罩中的压电传感器检测气流，或利用热敏电阻和热电材料来检测热信号。也有报道称，基于水凝胶的气流传感器也已被应用，但由于溶剂蒸发导致信号漂移，其在连续监测场景中的长期可靠性受到影响。然而，一个根本性的局限性依然存在：这些设备主要监测呼吸频率和节律等替代指标，而非用于全面肺功能评估的直接生理参数。它们的信号保真度常常会受到运动伪影、放置位置不一致和环境波动的影响。更重要的是，它们无法提供关键肺功能参数（气流速率、容积及其动态变化）的直接、稳定测量，而这些参数对于检测慢性阻塞性肺疾病（COPD）中细微的病理生理变化（例如小气道功能障碍和肺弹性回缩力减弱）至关重要。因此，其在长期管理中的临床转化应用仍然受到严重限制。

肺功能检查通过测量呼气流量和容积之间的关系来评估呼吸力学。流量-容积环提供了呼吸力学的全面特征，反映了气道通畅性和肺泡弹性回缩力，是诊断COPD等阻塞性疾病的基石。具体而言，COPD的病理变化以小气道（直径<2 mm）的炎症和纤维化以及肺泡结构的破坏为特征，导致弹性回缩力丧失。这些微观解剖结构的改变在宏观上表现为流量-容积曲线的特征性变化，最显著的是呼气流速受限（图1a）。因此，能够可靠地捕捉流量-容量信息且保真度与肺活量测定法相当的可穿戴设备，将弥合呼吸监测与肺功能监测之间的差距，从而实现连续的、真实的管理。

本文亮点

1. 本工作报道了一种基于多孔石墨烯的泡沫传感器，该传感器能够解耦应变和温度，无需复杂的信号处理即可同时检测形变和气流温度，且无串扰。

2. 该泡沫传感器在80%应变下经受15000次循环压缩后仍保持较高的机械和热电稳定性。

3. 利用产生的热电信号，定义了一种新型的小气道阻塞指数（SAOI），该指数能够对COPD急性加重风险进行个体化的早期预警，从而实现治疗方案的及时、实时调整。

图文解析

 

图1. 用于慢性阻塞性肺疾病 (COPD) 监测的智能呼吸监测面罩。(a) 慢性阻塞性肺疾病 (COPD) 的病理特征及肺部气道分布。(b) 多孔石墨烯/PDMS 智能泡沫集成监测面罩 (PGSF-MM) 的设计，该面罩集成了多孔石墨烯/PDMS 复合智能泡沫。(c) 传统肺功能测试系统的局限性。

图2. 多孔石墨烯/PDMS 智能泡沫 (PGSF) 的电学特性。(a) PGSF 对不同温差 (ΔT) 的循环响应。插图：热电效应示意图，该效应将 ΔT 转换为电信号，从而实现自供电温度传感。(b) 测得的输出电压与温度梯度的关系。(c) PGSF 的最小可辨别温差 (ΔT)。 (d) PGSF在不同温度梯度（2、4、8和16 K）下，塞贝克系数和功率因数随压力水平的变化。(e,f) PGSF在循环温度梯度（ΔT = 5 K）和循环压缩（50 kPa）下的耐久性测试。(g) 本研究与先前报道的双模热电材料的性能对比。(h) 在不同温度梯度（0、5、10和15 K）和对应于ΔT = 5 K的不同应变水平（2和4 kPa）下测得的电流-电压(I-V)曲线。(i) 在不同温度梯度（0、2、4、6、8和10 K）下，施加5 kPa压力时的热电电流响应特性。(j) PGSF在万能试验机和手指连续压力下的电流响应。插图分别显示了万能试验机施加压力对应的光学图像和热图像，以及手指施加压力对应的光学图像和热图像。

图3. 温度和应变解耦传感机制，可实现连续实时监测。(a) PGSF 在压缩应变下的温度分布、输出热电压和电导率的有限元模拟。(b) 电流-电压 (I-V) 曲线，展示了 PGSF 在三种不同条件下的机械和热解耦机制：(i) 无外部刺激，(ii) 仅热刺激，(iii) 在保持热刺激的同时施加压缩应变。(c) 温度和应变解耦特性的验证。在 0 至 8 K 的温度梯度 (ΔT) 和 0 至 4 kPa 的应变水平下，对输出电压和电流响应进行连续实时监测。插图显示了 PGSF 在不同温度梯度和应力下的红外热图像。

图4. 用于实时呼吸监测的多孔石墨烯/PDMS 智能泡沫集成监测面罩 (PGSF-MM)。(a) 用户佩戴 PGSF-MM 的光学图像，以及显示不同呼吸模式下温度变化的红外热图像。(b) PGSF-MM 的原理图设计。插图显示了电路设计照片和系统框图。(c) 本研究开发的 PGSF-MM 与传统肺功能监测设备的微型化和物理尺寸比较。(d) 使用 PGSF-MM 对 10 名志愿者进行原位呼吸监测，显示 30 秒监测期间的呼吸波形。(e) 对这些志愿者进行 30 分钟呼吸监测的频域分析结果。(f) 10 名志愿者的呼吸信号频率与其实际呼吸频率高度一致。(g) 10 名志愿者的时域呼吸信号平均振幅与其肺活量呈正相关。 （h–j）佩戴PGSF-MM时，不同呼吸模式和动作的时域和时频域信号。（h）正常呼吸和深呼吸。（i）静息呼吸、轻度运动和剧烈运动。（j）志愿者佩戴和摘下智能面罩的动作。

图5. PGSF-MM在慢性阻塞性肺疾病（COPD）诊断中的应用。（a）基于PGSF-MM的日常肺功能监测，用于临床决策。（b）COPD患者的病理气道结构及基于PGSF-MM的功能评估机制。（c）健康对照组、稳定期COPD患者和急性加重期患者的电压-时间曲线。（d）研究队列中电压变化率（dV/dt）与时间的关系。（e）用于区分呼吸功能的特征电压-dV/dt相位图。（f）不同受试者组间动力学参数的定量比较。样本量：健康对照组（n = 3），稳定期 COPD 患者（n = 1），AECOPD 患者（n = 5）。

来源：柔性传感及器件

 审核编辑 黄宇