2019年新冠肺炎的出現(xiàn)以及世界各國政府隨后推行的衛(wèi)生政策突顯了口罩在抗擊傳染病傳播中的重要性?？谡珠L期以來一直用于醫(yī)療保健，但是，公共部門向佩戴口罩的過渡遇到了眾所周知的合規(guī)性和有效性的挑戰(zhàn)。特別是，許多人報告說口罩不舒服或令人窒息，這迫使他們摘下口罩以改善呼吸。然而，戴口罩只有在正確佩戴口罩并且緊緊覆蓋面部時才有效。
面部特征的變化也會妨礙口罩的正確佩戴，尤其是對于女性、面部較小的年輕人和留胡子的男性。目前，口罩主要設計用于醫(yī)院空調(diào)環(huán)境和胡子剃得干干凈凈的男性用戶。這種受控的條件和環(huán)境是普通市民無法獲得的。相反，為更廣泛的公眾設計更好的口罩需要更好地理解與口罩不合規(guī)相關的因素，以真實場景下用戶的反饋和數(shù)據(jù)的形式收集，同時直接向用戶提供實時貼合質(zhì)量反饋也很有價值。
近日，來自美國的一個研究團隊在雜志Nature electronics雜志上發(fā)表了一篇題為“A conformable sensory face mask for decoding biological and environmental signals”的文章。在這篇文章中，研究團隊報道了一種可與商用面罩集成的適形多模態(tài)感官面罩（conformable multimodal sensory face mask, cMaSK），用于監(jiān)測與傳染病、環(huán)境條件和面罩佩戴狀態(tài)相關的信號。設計包括實現(xiàn)低功耗操作的組件和固件，具有藍牙低能耗的微處理器，以及與面罩集成的印制電路板（PCB）。薄粘合層允許集成系統(tǒng)與各種商用面罩（如外科口罩、N95口罩和棉口罩）反復粘合和分層。還開發(fā)了一個移動應用程序，通過藍牙無線連接到cMaSK，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鬟M行數(shù)據(jù)存儲和分析。
主要內(nèi)容
cMaSK設計概述
下圖顯示了本研究的總體概念。cMaSK可以很容易地連接到各種面罩上，并且可以收集環(huán)境和生物信號。收集的數(shù)據(jù)通過藍牙通信傳輸?shù)蕉ㄖ频囊苿討贸绦?，并發(fā)送到服務器進行數(shù)據(jù)存儲和管理。設計cMaSK時的四個要求：（1）應選擇合適的傳感器組件并將其放置在最佳位置；（2）cMaSK不應妨礙呼吸或影響面罩的佩戴和防護質(zhì)量；（3）cMaSK應多次可逆地粘附在面罩上或從面罩上分離；（4）整個系統(tǒng)必須具有機械耐久性。
cMaSK由兩部分組成：（1）f-PCB厚度為100 μm，與口罩進行交互；（2）控制整個設備操作的主PCB（m-PCB）。使用可充電鋰電池，cMaSK可以運行超過60小時。
cMaSK設計概述。圖片來源：Nature electronics
用cMaSK進行口罩貼合度測試
為了研究cMaSK對面罩性能的影響，研究團隊使用了面罩貼合測試。結(jié)果顯示了帶有或不帶有cMaSK的面罩的面罩貼合度（環(huán)境中和面罩內(nèi)部的顆粒濃度之比），顯示出幾乎相同的值。這些數(shù)據(jù)表明，由于cMaSK的薄而適配的幾何形狀，它可以應用于各種類型的面罩，而不必擔心面罩性能的惡化。
cMaSK的體外表征結(jié)果。圖片來源：Nature electronics
cMaSK的傳感性能表征
cMaSK含有17個電容傳感器。cMaSK可以通過電容傳感器墊來檢測口罩貼合度的變化。當面罩完全覆蓋面部時，電容數(shù)值最高，因為當cMaSK完全覆蓋鼻子和嘴時，接觸皮膚的電容傳感器墊最多。cMaSK還設置了空氣壓力傳感器。當cMaSK完全覆蓋時，因為呼吸運動，空氣壓力值有幾十帕斯卡量級的波動。然而，當面罩未正確佩戴時，壓力傳感器無法檢測到這種呼吸模式。另外，cMaSK不僅可以測量皮膚溫度，還可以檢測呼吸引起的溫度和濕度變化以及各個方向上的加速度。
當cMaSK未正確佩戴時，呼吸引起的波動變得更弱，甚至消失（下圖）。傳感器表征結(jié)果驗證了cMaSK可以基于這些多模態(tài)信號對面罩的佩戴位置進行分類。此外，通過計算溫度、濕度和氣壓的波動次數(shù)，可以高精度地識別呼吸頻率，甚至可以在說話時檢測咳嗽。因此，研究團隊驗證了cMaSK可以監(jiān)測與傳染病相關的關鍵生物信號，如呼吸頻率、咳嗽和皮膚溫度。
cMaSK在不同面部位置和各種言語活動下的體內(nèi)表征。圖片來源：Nature electronics
體內(nèi)環(huán)境和生物數(shù)據(jù)記錄操作
使用cMaSK進行了體內(nèi)人體試驗，以驗證在進行各種活動時記錄生物和環(huán)境數(shù)據(jù)的適用性和可靠性。體內(nèi)測試結(jié)果顯示，根據(jù)cMaSK的位置，無論活動類型如何，每個傳感器值都顯示出明顯的差異。cMaSK可以在動態(tài)活動期間測量皮膚溫度（圖e），使用加速度計監(jiān)測人類活動，確定語言活動（呼吸頻率、咳嗽和說話），即使受試者正在進行各種身體活動（圖d、f）。
人體試驗還表明，cMaSK不僅可以在各種活動中監(jiān)測環(huán)境和生物信號，還可以評估面罩貼合質(zhì)量。結(jié)果顯示，因為面部尺寸和形狀的差別，女性受試者的外科口罩的貼合質(zhì)量不足，尤其是在口罩的底部和側(cè)面區(qū)域，擬合質(zhì)量分別比男性受試者低80%和70%。
人體實驗身體活動分析。圖片來源：Nature electronics
使用cMaSK驗證口罩配合質(zhì)量改進
男性受試者的胡子和女性受試者口罩尺寸不匹配導致口罩貼合度差，這顯著影響了口罩的功效。對一名戴不同尺寸外科口罩的女性受試者以及一名剃須前后的男性受試者進行了口罩貼合度改善分析。結(jié)果顯示，當外科口罩尺寸減小時，女性受試者的口罩貼合度測試儀測得的貼合度增加。這些結(jié)果強烈表明，較小的面罩更適合面部特征較小的人，如女性和兒童。男受試者剃胡子后，cMaSK測量的口罩貼合度在外科口罩和N95口罩中均增加。
通過對男性和女性受試者的口罩佩戴改善情況的分析，驗證了cMaSK可以評估每個人的佩戴質(zhì)量和空氣面罩泄漏情況，其趨勢與傳統(tǒng)口罩佩戴測試儀得出的趨勢相似。
總結(jié)和討論
研究團隊報告了一種可連接到任何面罩內(nèi)部并用于監(jiān)測與傳染病、環(huán)境條件和面罩佩戴狀態(tài)相關的信號的適形感官界面。感官面罩發(fā)出的多模態(tài)信號通過定制的移動應用程序無線傳輸?shù)椒掌鳌Ｔ撓到y(tǒng)可以同時監(jiān)測多種信號，包括皮膚溫度、濕度、言語活動、呼吸模式和面罩的佩戴狀態(tài)，并觀察到男性和女性受試者之間由于面部尺寸和形狀變化而導致的佩戴質(zhì)量差異。這些結(jié)果強調(diào)了在科學研究中納入同等數(shù)量的不同性別的受試者的重要性。結(jié)果還表明，可以使用機器學習算法對口罩的位置進行分類，男性和女性受試者的準確率分別為92.8%和77.5%。
cMaSK為智能面罩系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個平臺，該系統(tǒng)可以提供實時反饋，并可以積極幫助用戶優(yōu)化面罩貼合度。更廣泛地說, cMaSK提供了一個模塊化、可定制的研究工具，拓寬了對影響戴口罩行為的關鍵因素以及對人類健康和福祉的影響的理解。該系統(tǒng)還可以進一步改進設備，包括延長電池壽命、設計更輕的m-PCB、實時解碼口罩狀態(tài)和其他生命體征，以及將cMaSK廣泛應用于兒童、老年人和空氣污染嚴重的社會等人群的研究。開發(fā)的框架也可以用于為其他面向紡織品的服裝設計符合要求的、可定制的電子產(chǎn)品。
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