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中山大學周建華/喬彥聰團隊 Nano Research:用于單血管局部血壓監測的微腔輔助石墨烯壓力傳感器
2024-09-18  來源:高分子科技

  中山大學生物醫學工程學院周建華教授/喬彥聰副教授團隊在《Nano Research》上發表了題為“Microcavity Assisted Graphene Pressure Sensor for Single-Vessel Local Blood Pressure Monitoring”的研究性論文。本工作提出了一種微型空腔輔助的可穿戴血壓傳感器(MAGPS)。通過仿真和理論分析探究了傳感器的工作機理和失效機理,指導了微腔的設計。微腔可以取代笨重的袖帶,用于壓迫血管以進行血壓數據采集,也大大提高了傳感器的量程。得益于所設計的微腔結構,傳感器的量程提高到1,050 kPa,具有15.4 kPa-1的靈敏度。本工作構建了包含9位正常血壓受試者和5位高血壓患者的數據庫,其中包含228個血壓數據以及11,804個脈搏波切片。最后,結合MAGPS和兩階段卷積神經網絡(CNN算法對血壓進行自動檢測。第一階段算法通過脈搏波判斷受試者是否患有高血壓。然后,第二階段算法在10 mmHg誤差范圍內診斷收縮壓和舒張壓的準確率分別為93.5%97.8%


1. MAGPS的結構和應用,以及石墨烯的表征


  MAGPS由四部分組成,包括微腔結構,頂部PDMS封裝膜,石墨烯敏感層和PDMS襯底。在血壓監測期間,可以對MAGPS進行充氣,以壓縮橈動脈,從MAGPS可以監測到不同幅度的脈搏波和微腔中的氣壓,構建神經網絡實現血壓預測。石墨烯圖案由激光還原聚酰亞胺膜產生,并通過PDMS固化過程被完整轉移到PDMS表面。


2. MAGPS的響應性能


  MAGPS工作范圍廣0-1,050 kPa),0-800 kPa范圍內具有1.57 kPa-1的靈敏度,在800-1,050 kPa范圍內具有15.4 kPa-1的靈敏度。與近期發表的壓力傳感器相比,MAGPS具有壓力檢測范圍和靈敏度的綜合優勢。此外,它也具有良好的線性、頻率響應,經過超過10,000次循環施壓/釋放后仍然保持穩定響應。


3. 傳感器受壓過程仿真


  為了解釋MAGPS超大工作范圍的原因,本工作構建了仿真模型來說明其傳感機制。通過仿真MAGPS在外力作用下的變形和受力分布,和微腔內氣體壓力結果表明,微腔內氣壓始終低于外部壓力的40%。因此,微腔結構作為緩沖可以通過減輕外力的影響來提高傳感器工作范圍,以及避免傳感器的損傷。


4. 使用MAGPS進行血壓監測


  在監測期間,本工作參考示波法血壓測量過程,將MAGPS置于橈動脈上方,通過調整微腔氣壓得到不同壓力下的脈搏波。MAGPS的小型化使得它可以用于長時間的脈波數據采集。大量的數據有助于提高模型的泛化能力,這意味著提高了BP檢測算法的效率和精度。為保證足夠的數據驗證血壓監測性能,構建了包含9名健康受試者和5名高血壓患者的數據庫。


5. 使用兩級CNN網絡用于血壓預測


  本工作提出了一種基于兩階段CNN模型的高血壓診斷新方法,通過同時采集MAGPS的脈搏波和微腔氣壓來預測收縮壓和舒張壓。兩階段CNN包括分類CNN和回歸CNN利用多脈搏波的綜合判斷,分類CNN對高血壓/正常血壓的判斷準確性從89.9%提高到92.1%。最終,回歸CNN收縮壓預測值的準確性為0.5±6.1 mmHg舒張壓預測值的準確性為2.1±4.3 mmHg
中山大學生物醫學工程學院是論文第一單位,中山大學生物醫學工程學院碩士研究生羅金安是文章的第一作者,中山大學喬彥聰副教授和周建華教授、清華大學集成電路學院任天令教授、中山大學附屬第七醫院李波副主任醫師是論文的通訊作者。該研究成果得到了國家自然科學青年基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市科技計劃、深圳市優秀科技創新人才培養項目、清華大學北京信息科學與技術國家研究中心開放課題、廣東省傳感技術與生物醫學儀器重點實驗室的支持。


  原文鏈接:https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-024-6969-7 

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(責任編輯:xu)
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