柔性传感器及其在康复中的应用
康复医学按阶段可分为康复预防、康复诊断和康复治疗。康复预防目的在于预防残疾发生、预防残疾进展、残疾加重以及残疾复发。康复诊断目的在于评估患者的运动、感觉、知觉、言语、认知、职业、社会生活等方面的能力。康复治疗目的在于促进恢复损伤、疾病、发育缺陷等致残因素造成的身心功能障碍或残疾。 在康复医学的三个阶段中，都离不开对人体各类生理参数的检测与分析。传统的监测设备虽然技术成熟、检测精度高，但其便携性与舒适性的不足大大限制了其在实时疾病诊断和持续医疗监测方面的应用。由此，可穿戴电子设备应运而生并快速发展。具有柔性、人体适应性和环境稳定性的可穿戴设备可在保证长期佩戴舒适性的基础上进行精准监测，全天候实时提供各类生理参数以帮助进行人体康复。 柔性传感器作为可穿戴电子设备的核心部件，其特性对整个设备的性能有决定性影响。柔性传感器按工作原理可分为温度传感器、光电传感器、生物电传感器、力电传感器。由于工作原理的不同，各类传感器件在人体监测中检测的生理参数各有侧重。 图1?类皮肤的超薄柔性温度传感器薄膜阵列 （John A. Rogers et al. Nature materials） 图2?（a）基于有机发光二极管的光电传感器，（b）光电传感器监测血氧饱和度 （Seunghyup Yoo et al. Science Advances） 图3?（a）自愈合柔性ECG传感器，（b）自愈合柔性ECG传感器和商用传感器测量的心脏信号 （Zhenan Bao et al. Nature Nanotechnology） 力电传感器可以感应应力、压力以及微弱的机械振动并转换为电信号，广泛应用于呼吸、心跳、脉搏和肢体动作等人体生理信号的监测。传统的力电传感器按工作机理的不同可分为压阻式、电容式、压电式、摩擦电式和静电感应式。 压阻式和电容式的柔性力电传感器是通过检测材料电阻和电容的变化来实现各种人体力信号的监测，它们都具有灵敏度高、响应速度快的优势。Changyu Shen课题组通过冷冻干燥法制备了由柔性导电炭黑和热塑性聚氨酯组成的柔性泡沫型压阻传感器，其能够通过相对电阻的变化来区分不同的压缩应变。该传感器对压缩应变的响应表现出极好的线性特性，具有高达1.55的量规因数（Gauge Factor）。在压阻测试中，该传感器表现出快速的响应/弛豫时间（150/150 ms）、出色的可恢复性，在高达80%的应变范围内（对应压力为584.4 kPa）优异响应稳定性和耐久性（>10000次循环）。实际应用中，该传感器可组装成穿戴式设备，用于监测各种人体动作，如手臂弯曲、蹲下、踮着脚等（图4）。 图4 柔性压阻传感器用于人体运动监测： （a）人体卡通模型，（b）监测手臂弯曲行为，（c）监测蹲下行为，（d）监测踮脚行为 （Changyu Shen et al. Chemical Engineering Journal） 另一方面，压电式、摩擦电式和静电感应式的柔性压力传感器，不仅能精准地监测相关人体力学信息，而且无须外部电源，具有便携、环保的优势，可实现传感器的自驱动。此外，这类自驱动传感器在检测低频振动信号方面更具优势。Zhong Lin Wang团队通过使用多股不锈钢线作为导电电极，硅橡胶作为摩擦材料，开发了基于单根纤维的摩擦电式柔性压力传感器，其可承受高达100％的应变，产生200 V的峰值电压和200 μA的峰值电流。基于该传感器构建的自驱动手势感应手套，可用于识别数字手势；该手套充当可穿戴人机交互界面，用于触觉信息传输；该传感器可作为脉搏传感器监测人体脉搏信号；基于该传感器还可构建的无线智能床垫，监测人体体动（图5）。Guanglin Li、 Peng Fang和Xiaoqing Zhang团队开发了基于多孔聚合物膜的压电驻极体（Piezoelectret），具有高灵敏度、良好的阻抗匹配等优点。压电驻极体柔性传感器可用于检测脉搏、足底压力和假肢手触觉等信息。此外，使用压电驻极体传感器获取肢体运动时肌肉体积变化而引起的表面压力分布，结合模式识别技术，可实现手势识别（图6）。 图5 （a）自供能手势感应手套（b）自供能人机交互织物 和（c）自供能脉冲计的数码照片及输出信号，（d）无线监测人体体动的床垫 （Zhong Lin Wang et al. Advanced Functional Materials） 图6 压电驻极体柔性传感器的康复应用： （a）脉搏检测、（b）足底压力检测、（c）假肢手触觉检测和（d）手势识别 （Peng Fang et al. IEEE Sensors Journal & Sensors and Actuators A-Physical） 通过各式各样基于不同种类柔性传感器的可穿戴设备，可以实现对温度、血氧、生物电、体动、心率、脉搏等人体生理信号的实时监测。这些可穿戴电子设备会极大地方便医护人员在诊断和治疗过程中获取各类关键的医学信息，从而实现疾病的早期发现与诊断、促进人体康复。然而，尽管可穿戴电子设备表现出了对医学康复的巨大价值，但其仍存在一些需要解决的问题。如可穿戴传感器的牢固性、准确性、耐用性、一致性和可靠性仍需要临床验证，互连、供电和噪声伪影方面的挑战依然存在，同时材料和加工成本也需列入考虑。最后，我们乐观地认为，这些问题在不久将来得到解决，促进康复医学的发展，真正意义上实现医联网。 作者 |? 林诗哲 方鹏 李光林 （中国科学院深圳先进技术研究院，中国科学院人机智能协同系统重点实验室） ● 上肢康复机器人应用现状与研究进展 ● 神经拟态芯片与假肢手仿生柔顺控制 ● 仿生假肢手构型设计及性能评测 ● 脑卒中运动功能康复评估技术的应用现状与研究进展 ● 轮椅太极拳的研究及临床应用进展 ● 电子人工喉研究现状与进展 热忱欢迎广大专家、学者不吝赐稿！ 来稿邮箱：rehabil_csbme@sina.cn
