用于人體連續(xù)呼吸監(jiān)測的類皮膚混合集成電路

呼吸是人體與外界環(huán)境之間的氣體交換過程，主要進(jìn)行氧氣和二氧化碳的補(bǔ)充與排出，是維持生命活動(dòng)所必須的生理過程。呼吸頻率、深度是反映人體健康狀況的基本生理指標(biāo)。連續(xù)精準(zhǔn)的呼吸監(jiān)測對(duì)于臨床醫(yī)療和個(gè)人健康都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

睡眠呼吸暫停綜合征是在睡眠過程中出現(xiàn)呼吸暫停、呼吸變淺、呼吸不規(guī)律等呼吸失調(diào)癥狀的疾病。目前臨床針對(duì)睡眠呼吸暫停綜合征的診斷依據(jù)主要是多導(dǎo)睡眠圖。多導(dǎo)睡眠圖中包含了腦電、心電、肌電、眼動(dòng)、呼吸、體位體動(dòng)、血氧飽和度等多種生理信號(hào)。多導(dǎo)睡眠儀在精確診斷和早期篩查方面尚存以下不足：

處于新環(huán)境且佩戴眾多儀器以及信號(hào)傳輸導(dǎo)線的束縛會(huì)一定程度上影響患者睡眠質(zhì)量，甚至導(dǎo)致失眠，使得所采集的生理信號(hào)數(shù)據(jù)與真實(shí)睡眠情況不符，從而妨礙精確診斷；

多導(dǎo)睡眠儀體積較大且操作復(fù)雜，不利于展開對(duì)更大范圍人群的日常睡眠質(zhì)量監(jiān)測與呼吸暫停的早期篩查。

針對(duì)上述問題，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院的研究人員提出了一種將類皮膚的柔性混合電路與可延展柔性傳感單元集成的柔性化策略，并基于人體臉部幾何形貌特征設(shè)計(jì)出面膜式的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，利用傳熱學(xué)分析構(gòu)建基于可延展溫度傳感器的呼吸監(jiān)測原理，提出壓縮屈曲構(gòu)型作為傳感器工作形態(tài)以提升傳感器信噪比和力學(xué)順應(yīng)性，用以解決現(xiàn)有呼吸監(jiān)測技術(shù)中器件剛性、有線導(dǎo)聯(lián)、傳感單元與信號(hào)處理單元分離帶來的不舒適感、精度差、不可長期監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸與處理滯后等問題。該呼吸監(jiān)測技術(shù)的基本原理是通過貼于鼻子下（人中處）的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集人體呼出和吸入氣體的溫度，并傳輸至集成化的柔性混合集成電路，用以數(shù)據(jù)的預(yù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、處理，通過低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無線分享至移動(dòng)用戶終端，并在用戶應(yīng)用軟件上面實(shí)時(shí)顯示。

圖1：器件原理示意圖 近日，研究團(tuán)隊(duì)在國際電子材料領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)電子材料》（Advanced Electronic Materials）上在線發(fā)表了題為《應(yīng)用于連續(xù)呼吸監(jiān)測的可共形貼附于面部的類皮膚混合集成電路》（Skin-Like Hybrid Integrated Circuits Conformal to Face for Continuous Respiratory Monitoring）的研究成果。研究人員通過將類皮膚的柔性混合電路與可延展柔性傳感單元集成，提出了系統(tǒng)級(jí)集成電路的柔性化策略，建立了從信號(hào)采集、傳輸、處理到無線通信等多模塊一體化的柔性平臺(tái)，解決了可延展柔性傳感單元與后端電路的異質(zhì)集成的問題；并通過人力學(xué)建模優(yōu)化，該柔性集成電路可共形貼附于具有復(fù)雜幾何特征的面部，可實(shí)現(xiàn)人體在諸如休息，運(yùn)動(dòng)，吃飯，喝水和睡覺等動(dòng)靜態(tài)多場景下連續(xù)呼吸監(jiān)測，展示了柔性電子技術(shù)在人體呼吸相關(guān)的臨床與生理學(xué)基礎(chǔ)研究中的廣闊應(yīng)用前景。

圖2：器件示意與實(shí)物圖

利用本集成器件實(shí)現(xiàn)了的一系列多場景隨體呼吸監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，包括靜態(tài)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測，如休息，運(yùn)動(dòng)，睡覺，而不對(duì)人體的正?；顒?dòng)造成任何影響，表明了該器件具有精準(zhǔn)舒適監(jiān)測人體呼吸的能力，在與呼吸系統(tǒng)相關(guān)的臨床與生理學(xué)基礎(chǔ)研究中具有明確應(yīng)用價(jià)值。此外，該研究所提出的系統(tǒng)級(jí)的柔性混合集成電路為人體其他生理信號(hào)的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了重要基礎(chǔ)，為人體健康監(jiān)測器件的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用提供了一條新的研究思路。

圖3：多場景實(shí)驗(yàn) 浙江清華柔性電子技術(shù)研究院助理研究員陳穎博士為文章的第一作者，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院是清華大學(xué)探索多學(xué)科交叉與校地合作新模式的試點(diǎn)，是浙江省人民政府與清華大學(xué)共同打造的新型高端科研機(jī)構(gòu)。