新加坡国立大学与清华大学深圳国际研究生院：超材料生物传感器，无需与身体直接接触

仅在美国，每年就有大约 100,000 起交通事故是由困倦或疲劳等人为因素造成的。汽车生物传感器可用于通过提供健康问题的早期检测、阻止疲劳相关的事故以及评估压力和情绪状态来帮助保持安全驾驶。现在已经探索了各种方法来测量汽车环境中疲劳和警觉性的生理标志物，包括电生理学、惯性行为相关和视觉等方式。然而，这些方法难以在动力学环境中可靠且不引人注目地捕获生理标志物，例如在发生大量振动的汽车或航空应用中。电极已被整合到方向盘表面，以获得注意力不集中的电生理标志物，但该方法需要稳定的皮肤接触，这很难实现。或者，在某些情况下使用摄像头的监控方法很有前途，但它们依赖于环境照明，会产生潜在的隐私问题。

无线传感器有可能在车辆环境中提供不显眼的疲劳和注意力检测。它们对环境噪声（例如可变的照明条件）不太敏感，并且可以保护用户隐私。然而，由于运动伪影以及封闭机舱环境中多径反射产生的信号干扰，在包括振动、随机身体运动和多名乘客在内的动力学环境中获取高质量的生理参数仍然比较困难。近日，新加坡国立大学何思远教授与清华大学深圳国际研究生院田曦团队合作报道了一种超材料生物传感器。它可以在动力学环境中捕获心肺信号，而无需与身体直接接触。该生物传感器使用数字刺绣制成，可以与安全带集成，并可以通过无线信号与身体之间的近场交互来检测生理运动。

使用导电线用计算机辅助数字刺绣制造生物传感器，这种柔软的纺织传感器，可以贴合身体，适应用户活动并与现有安全带集成。生物传感器可以连续监测安全带上各个位置的心率 （HR） 和呼吸，包括肩带和腰带，并且对不同的服装材料和厚度都可以保持性能。在航空公司机舱模拟器中测试了刺绣超材料系统对一系列人体活动的检测能力，并验证了其睡眠-觉醒阶段鉴别的能力。生物传感器还可以可靠地提取呼吸和心跳信号，并在具有挑战性的动力学环境中保持准确性。

图：非接触式超材料生物传感器

生物传感器的设计：

为了克服相对运动导致的信号减弱现象，利用与身体机械耦合的线束作为基材，集成一种超材料，该超材料可以通过无线信号与身体之间的近场交互实现对生理运动的高度灵敏检测。选择导电线的数字刺绣作为制造策略，因为它能够在几乎任何现有的织物基材上精确产生复杂的周期性图案。这种超材料通过低填充因子并支持小波长表面波的传，由空心梳状形状组成，该结构将无线信号传播为欺骗表面等离子体 （SSP） 极化激元，其波长压缩到自由空间波长的四分之一左右。这些高度受限的近场传感模式提供了针对潜在干扰的鲁棒性，例如驾驶员姿势变化和多乘客杂波。色散关系分析用于设计晶胞的几何参数，以获得 2.4–2.5 GHz 工作频带内所需的表面模式特性。当填充因子 q 从 8 mm 降低到 1 mm 时，2.4GHz 时的波数β从 0.48π 增加到 0.65π rad cm−1，表示更强的场限制和波长压缩。此外，可以调整填充因子以支持 0.49π 至 0.59π rad cm−1 的表面模式在不同的纺织基材上应用。

为了实现从超材料结构到 50 Ω共面波导 （CPW） 的高效波矢转换，设计了一个与传统微波连接器兼容的过渡截面。由梯度波纹空心带和扩口接地组成的阻抗匹配过渡，它将传输效率提高了 4 dB 以上，并降低了超材料波导和 CPW 之间的转换损耗。另一方面，超材料生物传感器的传输损耗由纺织品电导率决定，这可以通过填充因子的变化来适应。为了确保与刺绣生产的兼容性并保持亚波长压缩，选择 q = 2 mm 以将传输损耗保持在 0.25 dB cm−1。超材料生物传感器在计算体模型上的全波模拟说明了生物传感器表面的波长压缩和能量限制。这些特性可以增强与身体的无线交互，利用心肺活动引起的组织特性变化来更有效地调节传播阶段，尤其是当生物传感器集成到位于身体前方的安全带中时。传输信号以表面波的形式沿超材料结构传播，并将组织边界和介电特性的变化转化为相位调制。

图：纺织超材料生物传感器的设计

超材料生物传感器性能评估：

为了评估超材料生物传感器在符合弯曲身体轮廓下的性能，将其集成到飞机机舱模拟器中。从四名健康受试者（两名男性和两名女性）那里获得了生理数据，他们穿着正规服装，在肩带和腰带上放置了不同的传感器。通过变分模态分解（VMD） 进行信号分离，然后进行峰检测 （方法） 来提取 HR 和呼吸。通过将传感器放置在安全带的低段和中段，可以实现检测到的心跳间期 （IBI）和参考心电图呼吸率 （RR） 间期之间的更高相关性，r = 0.967 和 0.972。对于所有四个传感器的放置，HR s.d. 误差范围为每分钟 2.9 至 5.6 次 （bpm），这与领先的商用腕戴式心率监测器相当，通常约为 4-10 bpm。同样，RR 检测的s.d. 误差与商用可穿戴设备相当 （2-3 bpm）。此外，即使穿着冬季外套（>1 cm 厚），生物传感器也能保持 3 bpm 的 HR s.d. 误差。这些结果验证了超材料生物传感器的有效性，并为传感器部署提供了有价值的指导。

图：传感器放置的传感性能特征

在飞机机舱模拟器中进行持续健康监测：

使用纺织超材料生物传感器，在飞机机舱模拟器中对日常活动进行了生理监测，包括说话、喝水、在键盘上打字和使用手机。生物传感器可以可靠地捕获呼吸和心跳信号，尽管身体运动和背景干扰仍然存在。通过将生物传感器集成到腰带中，以便在斜躺位置进行生理监测，进一步扩展了生物传感器的多功能性。生物传感器捕获不同身体方向的生理信号，包括仰卧位、俯卧位、左卧位和右卧位，IBI 估计误差中位数为 15 毫秒。

睡眠期间的心率动力学受自主神经系统的调节，导致不同的模式，可以为睡眠-觉醒转换提供信息。因此，进行了 6 小时的夜间睡眠实验，以证明超材料生物传感器在睡眠-觉醒检测方面的能力。在最初的 25 分钟内平均心率明显下降 （~15 bpm） 表明入睡。此外，睡眠期间 HR 的突然变化与觉醒密切相关，表现为 HR 从低于 60 bpm 突然增加到70 bpm 以上。利用传感器输出作为身体活动指标并将其与 HR 数据集成，使用基于规则的方法（Methods） 进行了睡眠-觉醒分类。下图显示了整个 6 小时睡眠测试中的生物传感器输出 （i）、心率曲线 （ii）、身体活动 （iii） 和二元睡眠-觉醒分类（iv）。与从智能手表获得的参考睡眠-觉醒阶段进行基准测试时，从心率概况和身体活动指标得出的估计睡眠-觉醒阶段的检出率为 95%。

图：连续的生理监测

车辆环境中的生理监测：

接下来探讨纺织超材料生物传感器在真实车辆环境中的效用。将其集成到汽车安全带中，与胸部区域对齐。当车辆怠速时，时域和频域分析都显示出清晰的呼吸和心跳模式。尽管存在大量的振动干扰，但频域分析表明，在车辆环境中仍然可以观察到心跳信号。 基于 VMD 的信号处理管道允许对真实世界数据进行基于优化的拟合，从而有效地将呼吸和心跳信号与车辆环境中的运动噪声分离。当受试者被指示在移动的车辆中使用假方向盘模拟驾驶员的动作时，进行了生理跟踪。对检测到的 IBI 的 Bland-Altman 分析得出的 s.d. 误差为 39 毫秒，与没有引入驾驶员运动的场景相当。进一步证明了在具有不同路况和交通流量的城市驾驶环境中对乘客的持续生理监测。车辆的位置、速度和加速度信息是使用智能手机应用程序记录的。结果显示，平均差为 0.5 ms，标准偏差为 35 ms，这与飞机机舱模拟器在相对静态条件下实现的精度相当。在车辆经历不稳定加速的中度和重度交通条件下，均未观察到生物传感器的准确性明显下降。从最初的警觉状态开始，受试者经历了多次嗜睡，与初始测量相比，平均心率大幅下降了10 次/分以上。生物传感器捕获的 HR的突然变化表明了生理知情嗜睡检测的潜力。这些结果表明，超材料生物传感器在城市驾驶环境中遇到的速度和地形范围内进行生理监测具有高度可靠性。

图：车内生命体征监测

小结：

作者团队报道了一种数字刺绣的保形超材料生物传感器，可以集成到安全带中，用于非接触式生理监测。生物传感器的超材料结构增强了电磁场与生理运动的相互作用，在动力学环境中提供可靠的生命体征监测。在航空公司客舱模拟器中测试了传感器的性能，并证明在日常活动中可以获得高质量的生理信号。生物传感器能够根据心率波动进行睡眠-觉醒检测，可用于长期睡眠监测应用。通过汽车安全带部署，强调了超材料生物传感器在车辆环境和正常驾驶员运动中的抗振传感能力。生理标志物的连续流在实时评估驾驶员行为方面具有潜在价值，该方法可用于开发检测车辆疲劳、嗜睡和高脑力负荷的应用程序。

参考文献： Qihang Zeng, Xi Tian, Dat T. Nguyen, et al. A digitallyembroidered metamaterial biosensor for kinetic environments. Nat Electronics.2024 Oct 17.

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01263-4

来源：奇物论

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