用于聆听身体的声音的可穿戴压电式柔性传感贴片

以心音、呼吸音、柯氏音等为代表的音频生理信号提供了监测人体心血管和呼吸道生理状况的窗口，在临床听诊中已经得到了广泛的应用和验证。然而，微弱的强度水平（比体表脉搏波强度弱1 ~ 2个数量级）、分散的频率范围成为阻碍柔性传感器件获取高信噪比音频生理数据的挑战性因素。清华大学深圳国际研究生院王晓浩/董瑛和加州大学伯克利分校林立伟团队通过具有电磁屏蔽效果的折叠双层压电式驻极体传感贴片，展示了与临床应用相关的几种高质量生理声音模式。

人工孔隙中丰富的电偶极子保证了该传感贴片在0 kPa~ 8 kPa范围内591 pC/kPa的高动态灵敏度，特殊设计的电磁屏蔽层使谐波干扰降低了20 dB以上。结合DC ~ 600 Hz的宽工作频带和不低于0.1 Hz的频率分辨率，传感贴片对心音、语音、呼吸音以及咳嗽、吞咽等常见的生理声音信号具有良好的跟踪检测能力，表现出在数字化听诊诊断方面的可行性。相关工作以“Health Monitoring via Heart, Breath and Korotkoff Sounds by Wearable Piezoelectret Patches”为题发表在Advanced Science期刊上。第一作者是清华大学深圳国际研究生院的博士研究生韩留洋。

图1 压电式驻极体传感贴片的性能表征和音频生理信号测量

心音检测与验证

心音的产生与心脏在一个心动周期内的机械活动密切相关，例如瓣膜关闭、室壁振动与血流变化等。在成年人正常心脏跳动中能够清晰听到的两个声音，即S1成分和S2成分，分别是由房室瓣和半月瓣的关闭所产生。研究人员使用压电式驻极体传感贴片跟踪胸腔心尖处的心脏活动，同时获取不同状态下的呼吸波、脉搏波和心音结果。同时观察到深呼吸时的S2生理性分裂现象，并通过希尔伯特频谱验证。此外在400秒的长时间连续监测中，传感贴片与参考ECG和医疗生理记录仪BIOPAC的结果在心动周期和收缩期与舒张期时长上保持高度的相关性，验证了心音测量的可靠性。

图2 心音的测量、分析与验证

柯氏音检测与血压评估

柯氏音是血液湍流时与血管壁的冲击和摩擦发出的声音，通常在手臂肱动脉处获取。柯氏音的频率成分与心音类似，并与心音S1成分具有时间上的一致性（图3b）。柯氏音的一项重要应用是对血压的检测，被认为是无创血压测量的金标准。相比于现有的基于示波法或脉搏容积的电子血压计，柯式音法具有精度高、适应性强、不依赖于经验参数或模型训练等优点，更有可能实现无偏的血压评估。研究人员提出了通过数字化柯氏音测量血压的评估标准，并在七名志愿者（含低血压志愿者）中得到了成功应用。同时获得的肱动脉脉搏波表明可以兼容传统的示波法，以作为柯式音法评估的补充。此外，研究人员通过饮用刺激性饮料的对比实验、和在桡动脉处柯氏音的检测，分别说明了柯式音法对血压波动的跟踪检测、以及集成在腕带式可穿戴设备中的可行性。

图3 柯氏音测量与血压评估

呼吸音检测与分类

呼吸音是呼吸气流与气管/支气管壁和肺泡壁摩擦产生的声音，根据听诊位置的差异可细分为支气管音、支气管肺泡音和肺泡音，三者在时域形态和频域成分上均有较大差异（图4c ~ 4d）。通过呼吸音的频率、强度、以及呼吸杂音的性质、产生部位等可以反应不同的呼吸疾病，对呼吸音模式的准确分类是诊断呼吸道疾病的关键保障。研究人员展示了基于梅尔倒谱系数的呼吸音分类方法，并在141例正常呼吸、喘息打鼾音中实现了92.9%的分类准确率。此外，研究人员针对呼吸音作为生物特征实现身份识别进行了概念演示。

图4 呼吸音检测与分类

研究人员展示了使用柔性传感贴片感知身体声音的一系列尝试，以论证全面监测心音、柯氏音和呼吸音等音频生理信号的可行性。尤其是在各种应用场景中，使用具有电磁屏蔽效果的折叠双层压电驻极体传感器实施高质量的生理声信号检测，并探索其在临床上的潜在应用。包含更多参与者的临床检测和改进将是未来的研究兴趣所在，在针对心血管和呼吸道的实时检测方面有希望发挥更大的作用。 






审核编辑：刘清