電子皮膚——實時追蹤人體活動機械聲學信號監測身體狀況

　　 聲帶振動、心跳、呼吸、運動......在這些人體的日常自然活動過程中，會伴隨產生大量的機械聲學信號，而這些信號的強弱、頻率則暗示著你的生理健康狀況。

　　不過，有許多信號會在皮膚與空氣交界處強烈衰減，若沒有一種“創可貼”式的實時監測設備，便會影響人們對健康狀況、運動表現等的精準判斷。

　　近日，中國科學院外籍院士、美國西北大學教授黃永剛團隊，美國西北大學教授約翰·羅杰斯團隊與香港城市大學研究員解兆謙團隊等共同設計研發了一款柔軟、輕巧、可延展的無線機械聲學監測設備，該設備可連續實時追蹤人體自然活動的機械聲學信號，并全天監控健康狀況、社交互動、量化睡眠行為、測量運動表現、指導康復協議等。相關成果發表于《自然—生物醫學工程》雜志。

　　論文通訊作者之一解兆謙告訴《中國科學報》，現有臨床級別的監測工具，比如數字聽診器和慣性測量裝置等，存在著較高的慣性質量、有線，以及無法保持與身體的實時共形接觸等局限性，難以實時捕獲高保真度的機械和聲學信號。

　　此外，現有設備難以持久佩戴，且會使人產生不適感，則是另一大不足之處。例如，捕捉從喉嚨中發出聲音信號的麥克風，需要綁在脖子上才能監測飲食行為和呼吸生理；記錄一系列身體過程以追蹤睡眠行為的加速計，需要用蠟固定在頸部的皮膚上。

　　顯然，上述類型的設備很難讓人感到舒適。因此，柔軟、輕巧、無線、且能“無感”貼合皮膚的監測設備成為醫療健康等領域關注的重點。

　　柔性電子技術的一系列研究進展為研發理想的設備奠定了基礎。柔性電子“化剛為柔”，將冰冷生硬的電子設備變得輕柔、可變形并且能高靈敏地實時傳輸信息，在醫學監測、診斷和治療領域被廣泛需求和應用。

　　基于過去的研究基礎，研究人員通過精巧的力學結構設計和無線系統優化，使得使用者在佩戴無線機械聲學監測設備的過程中幾乎毫無“感覺”；此監測設備具備高靈敏度和響應能力等特點，同時，能將環境噪聲的干擾降至最低。

　　“機械聲學信號包括大量的耦合信號，我們通過時域、頻域分析和機器學習，獲取了受試者日常活動和體育鍛煉時的心率、呼吸頻率、能量強度等基本生命體征的實時記錄，并且通過通話時間和節奏，獲得吞咽次數和方式等其他生命體征。”解兆謙說。

　　此外，研究人員還對睡眠狀態的受試者進行了測試，并通過量化睡眠行為的多導睡眠圖對測量結果進行了驗證。

　　“該研究成果為人體實時健康檢測提供了一種有效的手段，同時在監控術恢復情況、跟蹤社交活動狀態、治療失語和吞咽困難等方面都有著實際應用價值。”解兆謙表示。

　　他同時指出，盡管設備目前可以連續實時捕獲人體各種狀態下的機械聲學信號，但是某些運動狀態可能會對設備監測所關注的生命體征造成干擾，產生虛假信號，例如身體活動會影響心臟和呼吸頻率的檢測。如何識別虛假信號是當前研究面臨的主要問題。

　　下一步，團隊將嘗試采用多點同時測量的方式，獲取更多的人體活動過程中機械聲學信號，進而通過機器學習的方式建立可以準確判斷機械聲學信號與相應的生命信息的關系，從而開發和優化有效鑒別虛假信號的方法。