中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
心血管疾?。–VD）已成為全球最重要的健康問(wèn)題之一。根據世界心臟聯(lián)合會(huì )2021年的報告，心血管疾病每年造成約2050萬(wàn)人死亡，約占全球死亡人數的三分之一。持續監測血壓波動(dòng)對于疾病預防、進(jìn)展跟蹤和指導治療至關(guān)重要。在臨床環(huán)境中已廣泛采用傳統的充氣袖帶血壓測量裝置，但由于其體積大、操作復雜以及對血液循環(huán)的潛在干擾，無(wú)法實(shí)現持續血壓監測。通過(guò)分析脈搏波或心率的無(wú)袖帶血壓監測技術(shù)已經(jīng)成為一種可行的方法。然而，這些方法仍面臨準確性及可靠性的相關(guān)挑戰，需要進(jìn)一步改進(jìn)以完善其性能。
近年來(lái)，對脈搏傳感器技術(shù)的研究推動(dòng)了基于力感測原理的各種電學(xué)傳感器的發(fā)展，包括壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式等。然而，這些力傳感器經(jīng)常面臨信號準確性和穩定性的問(wèn)題。相比之下，光學(xué)傳感器因其高精度和檢測細微脈搏波的能力而廣受認可，不過(guò)，它們仍然面臨組裝挑戰。聚二甲基硅氧烷（PDMS）以其優(yōu)越的機械性能和出色的成型性而聞名，已廣泛應用于各種力傳感器。人們正在探索PDMS薄膜應用微米和納米級圖案化技術(shù)，以提高其靈敏度和穩定性。
據麥姆斯咨詢(xún)介紹，清華大學(xué)深圳國際研究生院、南方科技大學(xué)微電子學(xué)院、香港大學(xué)電機及電子工程學(xué)系和香港科技大學(xué)（廣州）微電子研究中心的研究人員在A(yíng)CS Sensors期刊上發(fā)表了一篇題為“Transfer Learning Enhanced Blood Pressure Monitoring Based on Flexible Optical Pulse Sensing Patch”的論文。該研究介紹了一種用于無(wú)袖帶血壓監測的新型光學(xué)脈搏傳感貼片（OPSP）。該傳感器具有單片集成氮化鎵（GaN）光電芯片和微納米結構的PDMS薄膜，并由利用遷移學(xué)習的數據處理算法提供支持。
圖1 新型光學(xué)脈搏傳感貼片（OPSP）示意圖
研究人員從中醫“寸、關(guān)、尺”診脈方法中獲得靈感，在柔性基板上安裝了三個(gè)相同的傳感單元以捕獲橈動(dòng)脈的多個(gè)脈搏信號。對于血壓數據擬合，研究人員使用一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（1D-CNN）、長(cháng)短期記憶（LSTM）和小波變換（WT）結合遷移學(xué)習（TL），無(wú)需大量校準，便可對新用戶(hù)進(jìn)行準確的血壓監測。遷移學(xué)習通過(guò)從更廣泛的人群中學(xué)習通用特征來(lái)解決個(gè)體差異問(wèn)題，最小化個(gè)體差異，使模型能夠適應具有有限校準數據的新用戶(hù)。
PDMS薄膜及其表征
該PDMS薄膜的制造工藝涉及利用具有圓頂形圖案陣列的圖案化藍寶石襯底作為轉移模具。澆注和固化PDMS凝膠，獲得反向圖案。所制造的PDMS薄膜具有微米尺度的蜂窩圖案，并通過(guò)納米尺度的結構增強。這種獨特的配置提高了傳感器的靈敏度、穩定性和檢測范圍。薄膜內的納米結構在較小的力下就會(huì )變形，顯著(zhù)增強了靈敏度。同時(shí)，蜂窩微結構增強了機械強度和穩定性。此外，凹面微結構上的納米結構能夠在施加的壓力下逐漸接觸和變形，進(jìn)而擴展了傳感范圍。
GaN光電器件的特性
GaN光電器件包含一個(gè)LED和一個(gè)具有相同結構的光電探測器（PD）。圖1E顯示了包含三個(gè)GaN光電器件（間隔1 cm，封裝在一個(gè)柔性基板上）的貼片。圖1F顯示了在測量過(guò)程中將貼片附著(zhù)在手腕上，其柔性封裝可以更貼近橈動(dòng)脈。圖2A示出了柔性印刷電路板上帶有PDMS薄膜的GaN光電器件爆炸圖。它由InGaN/GaN多量子阱（MQW）組成，中心區域作為L(cháng)ED，外圍區域充當PD。注入電流時(shí)，LED的發(fā)光由MQW中的載流子重組觸發(fā)。在藍寶石和周?chē)橘|(zhì)之間的邊界處發(fā)生的全內反射將反射光引導到PD，MQW中的光吸收產(chǎn)生載流子，隨后產(chǎn)生光電流。盡管存在斯托克斯位移，但PD的吸收譜與LED的發(fā)射譜之間仍存在重疊。
圖2 GaN光電器件的性能及表征
圖3 力傳感器的性能測試
基于遷移學(xué)習的血壓擬合
在機器學(xué)習驅動(dòng)的血壓估算中，盡管個(gè)體之間的脈搏信號數據集存在差異，但要提取的基本信號特征保持一致。在這項研究中，研究人員利用OPSP獲取的兩點(diǎn)脈沖信號，采用1D-CNN、LSTM和WT的機器學(xué)習模型來(lái)估算血壓。如圖4所示，遷移學(xué)習模型包括多點(diǎn)數據的預處理，接著(zhù)使用1D-CNN、LSTM和WT進(jìn)行特征提取和映射。通過(guò)全連接層和血壓模型建立最終的連接。最終的血壓，通過(guò)使用微調數據集對預測的血壓進(jìn)行線(xiàn)性補償獲得。在這個(gè)模型中，特征提取層作為遷移學(xué)習過(guò)程的一部分被預訓練和凍結，而全連接層則作為遷移學(xué)習的微調層。預訓練層可以轉移到新用戶(hù)，無(wú)需重新訓練整個(gè)模型，大大簡(jiǎn)化了新用戶(hù)的適應過(guò)程。這種方法不僅減少了訓練所需要的數據集，還提高了效率和適用性。
圖4 遷移學(xué)習模型架構
總結來(lái)說(shuō)，這項研究提出了一種面向無(wú)袖帶血壓監測的新型光學(xué)脈搏傳感貼片。所述傳感單元利用具有微納結構PDMS膜的單片集成GaN器件構建。其力傳感器展示了0～10 N的感應范圍，在0～1 N范圍內具有94.4 uA/N的高靈敏度。并且表現出令人印象深刻的動(dòng)態(tài)響應，響應時(shí)間為0.79 ms，恢復時(shí)間為2.8 ms。此外，該傳感器達到49 uN的最小檢測限，并在4000次循環(huán)測試中保持了一致的性能。該光學(xué)脈搏傳感貼片將三個(gè)力傳感器集成在一個(gè)柔性基底上，以檢測沿橈動(dòng)脈的脈搏波，提供心率、心率變異性、脈搏波傳導速度（PWV）的測量結果作為心血管健康的指標。遷移學(xué)習能夠以最少的校準實(shí)現高精度的血壓擬合，符合AAMI和BHS標準。這種與智能傳感器的集成為推進(jìn)傳感平臺以及增強患者護理帶來(lái)了巨大前景，有望實(shí)現對精神壓力和身體活動(dòng)水平的持續監測
