可穿戴傳感器的發展在近些年非常迅速。目前，全球主要的消費電子公司大多都推出了專屬的可穿戴產品，例如的 Apple Watch、的 Microsoft Band 以及的 Huawei Watch 等。不過這些設備大多都裸露在皮膚外，容易受到環境溫度等外部因素影響。
圖丨上海交通大學“微米納米加工技術全國重點實驗室”楊卓青團隊，二排左四是楊卓青教授（來源：）
近日，上海交通大學“微米納米加工技術全國重點實驗室”的教授團隊在 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 發表了關於原位睡眠呼吸監測與鼻周期研究的最新論文，即《基於雙通道柔性可穿戴系統和深度學習輔助分析的長期睡眠呼吸監測》（）[1]。
上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系博士研究生張浩東為論文第一作者，上海交通大學研究員教授和上海市第六人民醫院耳鼻喉頭頸外科教授（主任醫師）為論文共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
這項成果利用可介入鼻腔內部的可穿戴超細柔性傳感器，實現了在穩定環境下對人體睡眠時呼吸氣流的長時間、雙通道以及高精度的監測。
為達到可以伸進鼻腔的目的，該團隊研發了 3D 旋轉曲面光刻系統，博士研究生張浩東成功制作了基於阻變原理的超柔細呼吸傳感器，該傳感器以外徑 300μm 的超細柔性聚酰亞胺管作為襯底。
該柔性監測系統以類似“創可貼”的形式黏貼於嘴唇上方，再延伸出兩條非常細的傳感器，伸進左右鼻腔內部。
這種傳感器直徑相當於 3 根頭發絲的粗細，與人體的鼻毛相當，所以不會令佩戴者感到任何異物感。同時，因為伸入鼻腔內部，所以具有更穩定、可靠的環境，不僅避免了受外部環境的影響，還能保持它的穩定性和高靈敏度。
此外，還有一塊處理電路放在佩戴者的胳膊上。目前，該模塊的尺寸已能做到普通手機的三分之一，近似於半個手掌。並且，它與伸入鼻腔的兩根傳感器通過一條極細的導線相連，從而開展工作。不僅如此，該團隊還開發了一套睡眠呼吸監測系統，集傳感器、系統板、APP 於一體，能夠實時監測呼吸信號，持續時間高達 8 小時以上。
圖丨睡眠呼吸監測系統的應用場景、工作流程以及傳感器結構圖（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
事實上早在以日本學術振興會外國人特別研究員（JSPS Fellow）身份留學日本時，他就已開始了相關研究工作，此次所研制的創新設備更是能夠成功地在微細圓柱/圓管（柔性或剛性）表面上實現多種微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）傳感器或微結構的原位 3D 集成制造，並具備可控自動變焦功能，解決了不同功能材料薄膜在微細圓柱/圓管形襯底上的多層精確圖形化難題，為類似介入式/植入式超細 MEMS 器件的 3D 集成制造開辟了一條全新的技術途徑。
談到，這項研發的起因是他去醫院就診時，在與教授聊天時，兩人產生將柔性傳感器伸進鼻腔做呼吸監測的想法。
他們認為，阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合癥（Obstructive sleep apneahypopnea syndrome， OSAHS）在睡眠過程中使呼吸氣流反復發生非自願停止或減少，多表現為睡眠打鼾、憋氣、覺醒等，這容易引起睡眠質量差、日間嗜睡、註意力渙散等問題。
但若能在早期對睡眠呼吸進行監測，就能較好的預防該病。可現有的醫用監測儀器使用繁瑣，造價很高。所以在受到各類生物醫學診斷的啟發後，決定嘗試用超細柔性傳感器代替現有儀器。驚喜的是，這種傳感器在原位呼吸監測領域具有獨特的優勢。
因為它不僅具有柔性可穿戴傳感器體積小、重量輕的優勢，還避免了很多柔性傳感器佩戴舒適度差、抗幹擾性差、測量時間短等問題。
圖丨采集到的患者整夜呼吸信號：發生了呼吸暫停和低通氣（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
不僅如此，研究團隊在和其他專傢的探討中發現同時監測左右兩側鼻氣流的信號具有重要意義。實際上人體兩個鼻腔的呼吸信號是存在差異的，而這種差異性主要體現在鼻周期上。
而“鼻周期”是指人體左右鼻甲黏膜的交替性收縮和擴張，導致常常一側鼻腔堵塞/氣流減弱，而另一側鼻腔暢通/氣流增強的現象。這是一種持續的自然生理現象。
但受限於以往的實驗條件和儀器，關於鼻周期的研究進行得比較困難，其生理學功能和意義並不明確。團隊在與團隊合作後，通過研發的超細柔性傳感器，進行了臨床試驗，成功地觀測到了健康佩戴者的鼻周期現象，同時還發現了不同種類的鼻周期信號。
圖丨采集於夜間睡眠呼吸過程中的經典型鼻周期信號（來源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
“它也可以監測到其他的一些癥狀，最近我們就發現，這與睡眠分期是有關系的。比如發生鼻周期轉換的時間點，處於睡眠分期的某一期。例如抑鬱或焦慮癥患者，他的鼻周期就可能發生紊亂，在睡眠過程中鼻腔氣流強弱就會發生多次轉換。通過對鼻周期變化的分析，可以作為重要依據去診斷一些精神狀態的疾病，甚至是腦部疾病，這都是非常好的研究方向。”說道。
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他表示：“我們團隊目前的一個挑戰和目標，就是如何將這個電路模塊做到更小。可以做到手表、項鏈或是骨傳導耳機那般，提高佩戴者的舒適性。”不僅如此，他們還面臨如何將這種傳感器做到量產以及如何獲得正式醫療器械註冊認證等難關。
目前，該項研究成果已申請/授權一系列發明專利，並獲得多個創新創業項目獎項，正在開展產業化合作和進一步的臨床實驗。
表示：“目前，核心的傳感器需要經過類似諸如光刻、刻蝕、濺射等一道道工序才能做出來，所以造價較高。如果未來能將制造成本降下來，一套設備可能就需要幾百塊，那時走進千傢萬戶就指日可待了。”
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圖丨利用 3D 旋轉曲面光刻系統在超細圓柱/針尖襯底上加工的各種微納傳感器單元（來源：）
展望未來，他表示，團隊目前所開發的 3D 旋轉投影光刻技術不但在各類生物醫用超細介入/植入式器件中發揮著重要作用，而且在其他工業領域中也具有普遍應用價值，可以將各類傳感器原位加工制造在裝備部件上，實現真正的完全集成化。
例如，該團隊已在醫美行業中所用的黃金微針表面上原位制造了高精度薄膜溫度傳感器，可實現射頻黃金微針介入表皮治療時溫度的實時反饋；課題組也成功研制了超細流速傳感器，可進入特種裝備的狹窄管道內進行流速/流量的精確測定等。
參考資料：
1.H. Zhang, et al., “Long-Term Sleep Respiratory Monitoring by Dual-Channel Flexible Wearable System and Deep Learning-aided Analysis,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. (2023).https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10163891
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2. Z. Yang, et al., “Flexible Implantable Microtemperature Sensor Fabricated on Polymer Capillary by Programmable UV Lithography With Multilayer Alignment for Biomedical Applications,” IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 1, pp. 21–29, Feb. 2014, doi: 10.1109/JMEMS.2013.2269674.
3. Z. Yang, et al., “A Novel MEMS Compatible Lab-on-a-tube Technology,” Lab on A Chip, 2014, 14, 4604-4608, doi: 10.1039/C4LC00997E.
4. H. Zhang, et al., “A Flexible Implantable Polyimide Catheter Device for Targeted Treatment of Cardiovascular Diseases by Aggregating Magnetic Nanoparticles,” IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 6, pp. 911–917, Jun. 2021, doi: 10.1109/TCPMT.2021.3082923.
5. H. Zhang, et al., “A Wearable Ultrathin Flexible Sensor Inserted Into Nasal Cavity for Precise Sleep Respiratory Monitoring,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 8, pp. 4090–4097, Aug. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3087453.
6. 張浩東，蘇開明，殷善開，楊卓青*. 柔性可穿戴式呼吸傳感監測系統研究進展，功能材料與器件學報，2021，4(11)， 281-291.
運營/排版：何晨龍
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