在皮膚接觸界面持續(xù)監(jiān)測壓力和溫度，對(duì)于預(yù)防臥床患者的組織損傷和循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)并發(fā)癥至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的醫(yī)療壓力傳感器大多體積龐大、有線連接且依賴電池供電，這限制了其長期使用的適用性。本文，韓國電氣研究院Myungwoo Choi等研究人員在《Mater Horiz》期刊發(fā)表名為“A battery-free, wireless graphene pressure sensor for machine learning-assisted posture classification and VR/AR visualization in smart healthcare environments”的論文，研究提出一種無電池?zé)o線多模態(tài)傳感平臺(tái)，其中單層石墨烯作為高性能壓力傳感活性層，實(shí)現(xiàn)高靈敏度（1.75×10?3 kPa?1，應(yīng)變系數(shù)=8.6）和卓越穩(wěn)定性（超過1000次工作循環(huán)）。

該平臺(tái)可在無外部電源的情況下，實(shí)時(shí)可逆地檢測皮膚-設(shè)備界面的壓力與溫度。通過深度學(xué)習(xí)算法（特別是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DNNs），采集信號(hào)可被分類為不同坐姿模式，從而實(shí)現(xiàn)患者狀態(tài)的智能持續(xù)監(jiān)測。此外，集成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）界面可實(shí)時(shí)可視化壓力分布，支持沉浸式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)。本研究綜合推出基于石墨烯的智能傳感平臺(tái)，無縫融合無線操作、人工智能驅(qū)動(dòng)分析及AR/VR可視化技術(shù)，為先進(jìn)患者監(jiān)測提供個(gè)性化交互式智能醫(yī)療解決方案。

圖文導(dǎo)讀

圖1、無電池?zé)o線石墨烯壓力傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工作原理。(a) 無線石墨烯壓力傳感器的爆炸圖示，由柔軟的PDMS微墊、封裝石墨烯活性層、支撐框架及集成NFC的柔性印刷電路板（用于無線數(shù)據(jù)傳輸與能量收集）組成。(b) 封裝石墨烯層的結(jié)構(gòu)布局與光學(xué)圖像。(c) 應(yīng)力施加下中心石墨烯區(qū)域局部應(yīng)變的有限元分析（FEA）結(jié)果。(d) 基于NFC的無線架構(gòu)方框圖，實(shí)現(xiàn)壓力與溫度同步感知。(e和f) 組裝完成及PDMS封裝設(shè)備的照片，展示其柔韌性、皮膚貼合性與生物相容性。(g) 蛇形互聯(lián)結(jié)構(gòu)在拉伸下的FEA確認(rèn)機(jī)械穩(wěn)定性。 （h） 石墨烯壓力傳感平臺(tái)支持的機(jī)器學(xué)習(xí)輔助姿勢分類和基于AR/VR的可視化的概念圖，用于實(shí)時(shí)、以患者為中心的醫(yī)療監(jiān)測。

圖2. 用作活性層的化學(xué)氣相沉積法（CVD）生長石墨烯的結(jié)構(gòu)表征與壓力傳感性能。（a）基于封裝有聚酰亞胺（PI）層的CVD生長石墨烯薄膜的壓力傳感活性層示意圖。（b）帶有金電極的PI基底上石墨烯薄膜的光學(xué)顯微鏡（OM）圖像。（c）傳統(tǒng)CVD生長石墨烯（含吸附層與晶界）與單層高質(zhì)量石墨烯（SH-Gr）的結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖。（d）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像展示CVD生長石墨烯（C-Gr）與單層高質(zhì)量石墨烯（SH-Gr）的表面形貌。 (e) 碳石墨烯（C-Gr）和石墨烯-氫化物（SH-Gr）的拉曼光譜圖。 (f和g) 分別為碳石墨烯（C-Gr）和石墨烯-氫化物（SH-Gr）的高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像。 (h) 在1、4、7和10千帕施壓下石墨烯壓力傳感器的電阻變化比例（C-Gr，白色；SH-Gr，藍(lán)色）。 (i) 石墨烯壓力傳感器在15千帕加載與卸載過程中的電阻響應(yīng)。 (j) 石墨烯壓力傳感器在0.5、5、10和15千帕循環(huán)壓力下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 (k) 石墨烯壓力傳感器在5千帕下經(jīng)過1000次循環(huán)加載后的長期穩(wěn)定性。

圖3、無電池石墨烯壓力傳感器的無線特性。（a）用于同時(shí)監(jiān)測壓力和溫度的無電池?zé)o線傳感平臺(tái)的示意圖和框圖。該系統(tǒng)包括三個(gè)主要組件：（i）一個(gè)無電池?zé)o線傳感器，集成了用于壓力（ADC1）和溫度（ADC2）測量的NFC SoC；（ii）提供無線電力傳輸和數(shù)據(jù)通信的主天線和讀取器；以及（iii）用于通過圖形用戶界面（GUI）實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化后處理數(shù)據(jù)的筆記本電腦。（b）無電池?zé)o線傳感器在15kPa負(fù)載和卸載下的響應(yīng)。（c）在10和6kPa的動(dòng)態(tài)載荷下無線傳感器ADC值的變化。（d） 在10 kPa的壓力下，無線傳感器在四個(gè)連續(xù)的加載-卸載循環(huán)中可再現(xiàn)的ADC變化。（e）無線傳感器的ADC值隨著溫度的升高和降低而變化。

圖6、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）監(jiān)控系統(tǒng)與無電池?zé)o線石墨烯傳感器集成。（a）AR/VR監(jiān)控系統(tǒng)框圖。（b）使用Meta Quest 3耳機(jī)上的直通功能在AR和VR模式之間切換。（c）AR系統(tǒng)的操作順序分為四個(gè)步驟。（d）代表性AR幀，顯示壓力（紅色）和溫度（藍(lán)色）的實(shí)時(shí)條形疊加。（e）用于多用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控和評(píng)估的代表性VR框架。

小結(jié)

綜上所述，本文開發(fā)了一種無電池?zé)o線壓力傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單層高品質(zhì)石墨烯作為高性能活性層，并整合了機(jī)器學(xué)習(xí)輔助分類與AR/VR可視化技術(shù)，適用于智能醫(yī)療應(yīng)用。該石墨烯傳感器具備高靈敏度、卓越的機(jī)械柔韌性及穩(wěn)定的信號(hào)傳導(dǎo)特性，可在無需外部電源的情況下，對(duì)皮膚界面上的細(xì)微壓力與溫度變化進(jìn)行可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過將無線傳感平臺(tái)與人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了多種坐姿的分類識(shí)別，證明該系統(tǒng)能將復(fù)雜生理信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有實(shí)際意義的行為信息。此外，AR與VR可視化技術(shù)的融合實(shí)現(xiàn)了壓力分布的直觀實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程評(píng)估，凸顯該平臺(tái)在沉浸式臨床康復(fù)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)工作展現(xiàn)了先進(jìn)材料、智能算法與沉浸式可視化技術(shù)的協(xié)同融合，為構(gòu)建連接人體生理與數(shù)字智能的個(gè)性化、預(yù)測性、交互式智能醫(yī)療系統(tǒng)開創(chuàng)了新范式。

文獻(xiàn):

https://doi.org/10.1039/D5MH02270C

審核編輯 黃宇