研究背景

实时准确的脉搏波形测量对基于脉搏的健康监测和心血管疾病诊断具有关键作用。目前，可穿戴技术的快速发展使其能够提供实时和连续的脉搏波监测，基于电容式、压阻式、压电式、摩擦起电式、磁弹性、光电式(PPG)和超声波。然而， 这些可穿戴式传感器通常容易受到身体运动伪影的影响，导致不准确的诊断和误解，这主要是由于设备和人体皮肤之间的粘合力弱或保形性差，从而导致界面不一致。对于运动伪影的消除，大多数工作都致力于信号处理、机器学习和人工智能。然而， 软件开发过程中涉及的复杂数据分析使可穿戴电子设备变得复杂。同时，高功耗的计算芯片将大大增加其生产成本。尽管运动伪影去除技术已经获得了许多成就，但脉冲波形测量中的运动伪影仍然是一个挑战，因为机械干扰出现在人体皮肤组织的界面上。具体来说，人体动脉血管在大的静态力下的高度变形和扭曲是运动伪影的主要来源。

通过使用激光束或直接打印工艺在聚合物基材上切割图案，剪纸结构在开发可拉伸设备方面功不可没。由于剪纸 结构产生了支配材料固有弹性的几何变形，剪纸 的特性受到这些切割图案和方向的影响。对于剪纸结构的传感器，大多数报道的应用是在水平方向上操作的，并展示了高度可控的拉伸性。较少的探索是利用剪纸结构在垂直方向上的独特拉伸特性。通过改变三维剪纸结构的几何形状，如图案中切口的数量和切口的大小，有可能使装置具有高度的伸展性和适应性。kirigami的这些特性使其成为开发可拉伸和可穿戴传感器的理想选择，以减少运动伪影造成的干扰。

研究成果

持续、准确地监测脉搏波信号对于预防和诊断心血管疾病至关重要。然而，现有的可穿戴式脉搏传感器由于在身体运动过程中与人体皮肤缺乏适当的粘附和保形接口而容易出现运动伪影。在此，受kirigami结构的启发，中科院重庆绿色智能技术研究院Jun Yang研究员联合UCLA陈俊教授团队开发了一个高灵敏度和保形的压力传感器，在不同的预压条件下，甚至在身体运动时，测量人体动脉部位的脉搏波。COMSOL多物理场耦合模拟和实验测试被用来验证剪纸结构的独特优势。该装置显示了卓越的灵敏度(35.2mV/Pa)和显著的稳定性(>84,000次)。面向实际应用，开发了一个无线心血管监测系统，将脉搏信号实时无线传输到手机上，该系统成功地区分了不同参与者的脉搏波形。由kirigami 启发的压力传感器所测量的脉搏波形与商业医疗设备所提供的脉搏波形一样准确。鉴于这些引人注目的特点，该传感器为可穿戴电子设备在监测脉搏信号时克服运动伪影提供了一种上升方式，从而代表了在物联网时代向个性化医疗的坚实进展。相关研究以“Kirigami inspired pressure sensors for wearable dynamic cardiovascular monitoring”为题发表在Advanced Materials期刊上。

文献亮点

1. 首次展示了一种用于无线心血管监测的高度保形和具有成本效益的剪纸灵感压力(KIP) 传感器。

2. 利用COMSOL多重物理学中的固体力学模块模拟了三电层的结构接触，以获得对发电过程的更多定量理解。

3. 基于KIP传感器开发了一个无线心血管监测系统，用于个性化的健康数据采集、实时无线数据传输和在手机图形用户界面(GUI)上显示。

图文导读

Figure 1. Design and fabrication of kirigami inspired pressure sensor.

Figure 2. COMSOL simulation for the variation of Voc with external load.

Figure 3. Electrical characteristic of the KIP sensor.

Figure 4. Performance of kirigami inspired pressure sensor.

Figure 5. Motion artifact sensing with KIP sensor-based wireless cardiovascular monitoring system.

总结与展望

在这项工作中，作者开发了一个受剪纸启发的压力传感器，用于对细微生理信号的可穿戴监测。该压力传感器的独特结构设计使其达到了35.2 mV/Pa的出色灵敏度，并具有较高的机械耐久性(>84,000 次操作循环)。由于顺应性的增强和灵敏度的提高，KIP 传感器可以在广泛的预应力压力(1.3-18.6 kPa)下准确捕捉不同身体动脉部位的脉搏波信号，即使有严重的运动伪影。此外，还进一步开发了一个无线心血管监测系统，通过手机APP方便地显示测量的心血管参数,能够提供与商业医疗仪器一样精确的测量结果。这项工作为脉搏波测量和心血管健康状况评估提供了一种可靠和用户友好的方法，具有一系列引人注目的特点，包括灵活性、重量轻和高灵敏度。我们预计，可穿戴的KIP传感器可以被用于个性化的心血管保健。

文献链接

Kirigami inspired pressure sensor for wearable dynamic cardiovascular monitoring，

https://doi.org/10.1002/adma.202202478.