可诊断心血管疾病的自驱动超灵敏脉搏传感器(SUPS)

心血管疾病是全球目前导致死亡率最高的疾病之一。长久以来心血管疾病患者一直饱受恐惧和折磨。幸运的是,目前90%的心血管疾病都是可以预防的。移动健康医疗技术为心血管疾病的预防提供了新的机遇。通过长期监控心电、心音、血压、脉搏等生理信号可以有效地获取心血管系统的健康状况从而达到心血管疾病预防的目的。目前用于生理信号原位监测的器件质量和性能参差不齐,虽然可以达到一定的效果,但设备无法长久使用需要定期更换供电系统。尤其是设备小型化导致的电源供应的减少让灵敏度和功耗之间的矛盾愈加突出。移动可穿戴健康医疗领域的持续革新对传感器的小型化、功耗、灵敏度、兼容性等关键特性提出了新的要求。相较于目前大量的研究工作聚焦于寻求功耗与灵敏度之间的平衡,自驱动主动式传感技术的提出为解决这一矛盾提供了新的方案,它可以将机械振动信号直接化为电信号从而解决功耗和灵敏度的矛盾,实现无功耗高灵敏度的自驱动传感。

各种生理信号监测技术中,脉搏传感技术以其无创、便捷等诸多优势成为移动健康医疗领域研究最多应用最广泛的传感技术之一。当下最常用的是光电式脉搏传感器和压电式脉搏传感器,但其在灵敏度、信噪比、功耗及成本等方面依然面临严峻的挑战。例如,光电式脉搏传感器对环境光和人体运动非常敏感,行走和手臂摆动等肢体运动均会导致伪迹的产生。而压电式脉搏传感器得到的信号较小,后续需要一个信号放大系统将其转化为可分析的电学信号,这对穿戴式器件的功耗又提出了新的需求。因此,基于主动式传感技术的无功耗高灵敏度的自驱动传感为生理脉搏信号的检测提供了一个新的思路。

北京纳米能源与系统研究所李舟研究员和王中林院士领导的联合科研团队,与北京安贞医院和北京朝阳医院的范一帆、孙广龙两位心血管疾病专家合作开展研究工作,共同研发出无需信号放大就可蓝牙传输、针对心血管疾病进行预警和诊断的自驱动超高灵敏脉搏传感器。该团队选用具有纳米结构的金属铜和聚合物薄膜作为摩擦层,采用柔性材料作为封装层,制造出具有良好柔韧性和优异稳定性的脉搏传感器。该器件在脉搏传感测试中,成功将脉搏振动直接转化为高达1.52V的电信号,其信噪比达到45 dB是光电脉搏传感器的10倍,但是价格却是后者的1/5。将该脉搏传感器与蓝牙模块集成整合,可实现脉搏信号的无线传输,并实现在智能手机/电脑上的可视化显示与分析。利用该脉搏传感系统,研究人员对一组健康成人和一组患者进行了对比试验,成功的实现了对心律失常(房颤)的提示性诊断及对冠心病、房间隔缺损的鉴别性诊断。该工作首次验证了基于摩擦纳米发电机的自驱动传感技术在心血管疾病诊断上的可行性,为移动智能健康医疗的发展提供了新的思路。该工作中提出的材料加工工艺、传感器结构设计、信号传输方案及数据分析策略为基于纳米发电机的自驱动移动医疗的研究及产业化应用打下了良好的基础。该工作发表于Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201703456)上。