導(dǎo) 語
人類喉嚨的手術(shù)后治療通常需要對(duì)生命和肌肉活動(dòng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。然而，尚未開發(fā)出能夠直接從喉嚨皮膚進(jìn)行無線、連續(xù)監(jiān)測和分析這些活動(dòng)的方法。近日，《Nature Communications》上展示的一篇研究報(bào)告了一種完全集成的獨(dú)立可拉伸設(shè)備平臺(tái)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，該設(shè)備平臺(tái)可以提供對(duì)喉嚨各種振動(dòng)和肌肉電活動(dòng)的無線測量和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分析，為設(shè)計(jì)和應(yīng)用可穿戴皮膚接口系統(tǒng)以遠(yuǎn)程監(jiān)測和治療評(píng)估各種疾病鋪平了道路。
1、研究背景
可穿戴設(shè)備在疾病診斷確認(rèn)、治療評(píng)估和健康老齡化方面開始蓬勃發(fā)展。目前，用于跟蹤喉部特征的商業(yè)設(shè)備是剛性、笨重和有線的。設(shè)備與皮膚接觸不良也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，同時(shí)容易受到運(yùn)動(dòng)偽跡的影響。因此，迫切需要軟性喉部設(shè)備來持續(xù)監(jiān)測喉部活動(dòng)以進(jìn)行診斷和康復(fù)評(píng)估。
喉部肌肉運(yùn)動(dòng)和局部慣性振動(dòng)經(jīng)常被用來評(píng)估患者的喉部健康狀況。然而，傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備只能提供有限的患者健康狀況信息。振動(dòng)和肌肉活動(dòng)的監(jiān)測主要通過在皮膚上使用獨(dú)立的慣性設(shè)備和力傳感器來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的柔性表面肌電圖（sEMG）電極存在可伸縮性有限，系統(tǒng)集成能力差，透氣性低和在使用幾個(gè)小時(shí)后會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的皮膚炎癥或過敏等缺點(diǎn)。目前尚未將高質(zhì)量的sEMG信號(hào)集成到設(shè)備平臺(tái)中，并且仍然需要基于先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和評(píng)估。
基于機(jī)器學(xué)習(xí)的診斷在智能醫(yī)學(xué)的發(fā)展中具有很大的興趣，尤其是與軟性電子設(shè)備相結(jié)合（用于分類吞咽障礙的嚴(yán)重程度）。但是早期的基于一維（1D）卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的深度學(xué)習(xí)在實(shí)際應(yīng)用中尚存在巨大挑戰(zhàn)。
2、研究概述
該研究的獨(dú)立可拉伸設(shè)備平臺(tái)由水凝膠電極和功能電子元件組成，通過共面蛇形銅網(wǎng)絡(luò)相互連接，可以直接附著在人體皮膚上。從慣性三軸加速度計(jì)和水凝膠電極處理和無線傳輸?shù)男盘?hào)提供了對(duì)喉部和人體其他部位的局部振動(dòng)和肌肉活動(dòng)的持續(xù)非侵入性監(jiān)測。通過高效的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以區(qū)分各種活動(dòng)，并且在云服務(wù)器上處理的數(shù)據(jù)進(jìn)一步促進(jìn)遠(yuǎn)程康復(fù)和疾病診斷。該平臺(tái)采用低成本工藝制造，經(jīng)有限元分析（FEA）和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該平臺(tái)在各種機(jī)械變形下表現(xiàn)出穩(wěn)健的電機(jī)械性能。
圖1 獨(dú)立可拉伸喉貼的概述和設(shè)計(jì)
（圖片來自原文）
復(fù)合水凝膠主要由單體，交聯(lián)劑，光引發(fā)劑和離子鹽組成。為了避免銅基電極陣列的氧化并改善與皮膚的接觸質(zhì)量以增強(qiáng)信號(hào)采集，通過在具有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的離子復(fù)合材料中摻雜銀納米線（AgNW）設(shè)計(jì)了一種可拉伸和高導(dǎo)電的離子水凝膠界面骨架。與之前研究報(bào)道的水凝膠相比，該改性水凝膠具有優(yōu)異的接觸阻抗和其他適合與柔性電路集成在獨(dú)立設(shè)備平臺(tái)中進(jìn)行健康監(jiān)測的性能，優(yōu)于之前報(bào)道的水凝膠。
圖2 復(fù)合水凝膠電極的表征
（圖片來自原文）
該完全集成的設(shè)備貼片旨在提供高質(zhì)量的無線傳輸。該集成設(shè)備有出色的阻抗匹配，且由于功耗低，生物相容性Ecoflex封裝能隔離熱輻射，適合在皮膚上長期使用。該設(shè)備與皮膚的緊密耦合可提供高質(zhì)量的sEMG信號(hào)，與商用設(shè)備相比，其具有最高的功率譜密度和最低的信噪比。該裝置還表現(xiàn)出高機(jī)械順應(yīng)性和魯棒性，從而導(dǎo)致各種變形時(shí)皮膚的舒適度整合。完全集成的設(shè)備具有卓越的機(jī)械和電氣特性，可在運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行舒適的監(jiān)測（例如吞咽活動(dòng)），其性能優(yōu)于先前研究報(bào)告的喉部傳感器。
圖3 貼片的電子和機(jī)械特性
（圖片來自原文）
由于喉嚨為各種疾病的臨床診斷和相應(yīng)的術(shù)后訓(xùn)練/評(píng)估提供了豐富的振動(dòng)和肌肉活動(dòng)信息，因此該設(shè)備被應(yīng)用于這個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行概念驗(yàn)證演示。貼片中采樣頻率高達(dá)800Hz的高靈敏度加速度計(jì)ADXL-345可以成功連續(xù)監(jiān)測各種活動(dòng)，具有從0到400Hz的寬頻譜。沿三個(gè)不同方向同時(shí)測量的加速度數(shù)據(jù)使集成系統(tǒng)能夠分別區(qū)分多個(gè)運(yùn)動(dòng)，并捕獲重癥肌無力患者的吞咽過程。將加速度數(shù)據(jù)與說話時(shí)肌肉活動(dòng)的sEMG相結(jié)合可以進(jìn)一步解耦說話，實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別，并在臨床實(shí)踐中對(duì)各種疾病進(jìn)行更精確的診斷和評(píng)估。
圖4 生理過程和身體動(dòng)作的無線記錄
（圖片來自原文）
為了幫助自動(dòng)評(píng)估新患者和健康個(gè)體的喉部狀況，該研究探索了基于CNN的類2D序列特征提取器（2D-SFE），以根據(jù)生理事件的分類來分類和推斷病理狀態(tài) 。收集的1D數(shù)據(jù)（加速度和sEMG）首先傳輸?shù)筋愃朴趫D像矩陣的2D矢量，以便由基于CNN的2D-SFE進(jìn)行處理，該2D-SFE包含62個(gè)過濾層和2個(gè)分類層。在具有上述相關(guān)活動(dòng)的訓(xùn)練模型中，處理向量從卷積層迭代到池化層，然后到激活層，以實(shí)現(xiàn)特征向量（FV）的降維。通過評(píng)估全連接層softmax函數(shù)的一致性，將提取的特征進(jìn)一步分類為特殊目標(biāo)。研究結(jié)果證明了基于CNN的2D-SFE在多維向量預(yù)測方面的優(yōu)異性能。
圖5 用于術(shù)后康復(fù)的類2D序列特征計(jì)算
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通過本地蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)無線傳輸?shù)皆品?wù)器的測量數(shù)據(jù)也為隨著時(shí)間的推移進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和治療評(píng)估創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。在概念驗(yàn)證演示中，該研究選擇免費(fèi)的阿里云作為云中心，并根據(jù)應(yīng)用程序開發(fā)協(xié)議定制用戶界面?；贑NN的2D-SFE與另外兩名受試者的喉部活動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證。
圖6 無線康復(fù)評(píng)估的應(yīng)用
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3、研究意義
這項(xiàng)研究報(bào)告了一個(gè)完全集成的獨(dú)立可拉伸設(shè)備平臺(tái)，用于從皮膚直接監(jiān)測和基于機(jī)器學(xué)習(xí)處理各種振動(dòng)和肌肉活動(dòng)。改進(jìn)的復(fù)合水凝膠界面設(shè)計(jì)與人體皮膚緊密接觸，實(shí)現(xiàn)了較低的接觸阻抗，以獲得高信號(hào)質(zhì)量，并減少粘附力以便于拆卸。集成的三軸加速度計(jì)具有寬帶寬，可以準(zhǔn)確監(jiān)測大幅度運(yùn)動(dòng)（如行走和跳躍）和微小振動(dòng)（如心跳和呼吸）。通過基于CNN的2D類順序特征提取器處理的喉部活動(dòng)期間的13個(gè)常見特征/狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)可以以98.2%的高準(zhǔn)確率進(jìn)行分類。機(jī)器學(xué)習(xí)模型中的全連接神經(jīng)元進(jìn)一步使其能夠以92%的準(zhǔn)確率對(duì)來自新的人體對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。此外，用于在云端處理數(shù)據(jù)的定制接口為遠(yuǎn)程診斷和康復(fù)管理以及各種疾病應(yīng)用開辟了新的機(jī)會(huì)。最重要的是，開發(fā)的獨(dú)立可拉伸平臺(tái)將皮膚接觸的軟電極和傳感器與可拉伸混合電路集成，用于無線傳輸。此外，該集成設(shè)備平臺(tái)捕獲的sEMG與3D加速度信號(hào)相結(jié)合，可以為特征提取器提供豐富的信息，以適應(yīng)新的人體對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)吞咽障礙的評(píng)估和康復(fù)。
參考文獻(xiàn)：
Xu, H., Zheng, W., Zhang, Y. et al. A fully integrated, standalone stretchable device platform with in-sensor adaptive machine learning for rehabilitation. Nat Commun 14, 7769 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43664-7
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