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呼吸作為維持生命的基本生理過程，其狀態(tài)的長期監(jiān)測對呼吸系統(tǒng)疾病的預防與診斷至關重要。傳統(tǒng)呼吸監(jiān)測設備往往體積龐大，且需要胸帶束縛或貼近鼻腔，不僅影響用戶舒適度，還可能干擾監(jiān)測過程。近日，一項發(fā)表在《Microsystems & Nanoengineering》的研究帶來了突破性進展 —— 研究團隊開發(fā)出一種仿手指結構的柔性壓力傳感器系統(tǒng)，首次實現了從手腕脈搏波中直接提取呼吸信息，為可穿戴健康監(jiān)測領域開辟了新路徑。

柔性傳感系統(tǒng)：毫米級的監(jiān)測革命

這款新型呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的核心是厚度僅 300 微米的柔性壓力傳感器，采用絲網印刷工藝將銀叉指電極、碳納米管敏感層與熱塑性聚氨酯（TPU）間隔層精準疊加，最終用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝成整體。其表面通過激光蝕刻形成指紋狀環(huán)形結構，不僅將傳感器與皮膚的機械附著力提升 40%，還通過優(yōu)化的表面紋理增強了脈搏信號的捕捉效率。

傳感器性能參數達到了醫(yī)療級標準：在 0-13 kPa 壓力范圍內靈敏度高達 11,847.24 kPa⁻¹，可檢測低至 120 Pa 的細微壓力變化，響應時間僅 37 毫秒，且在 70,000 次循環(huán)測試后仍保持信號穩(wěn)定。整個系統(tǒng)集成柔性電路板、藍牙模塊和可充電鋰電池后，總重量僅 9 克，佩戴在手腕橈骨粗隆處幾乎無感，解決了傳統(tǒng)設備的舒適性難題。

智能算法：從脈搏波到呼吸狀態(tài)的解碼

研究團隊發(fā)現，呼吸過程中胸腔的擴張收縮會通過影響心室充盈、心輸出量和脈搏基線，在脈搏波中留下三種特征信號：呼吸誘導心室充盈波動（RIFV）、呼吸誘導心輸出量變化（RIAV）和呼吸誘導脈搏基線波動（RIIV）。為解析這些細微變化，他們設計了一種融合殘差網絡（ResNet）的雙向長短期記憶神經網絡（ResNet-BiLSTM）。

該算法的創(chuàng)新在于通過殘差模塊解決了傳統(tǒng) BiLSTM 在處理長序列時的梯度消失問題，同時增強了對復雜空間特征的提取能力。在包含 2708 例樣本的數據集測試中，ResNet-BiLSTM 模型對慢呼吸、正常呼吸、快呼吸和模擬呼吸四種狀態(tài)的分類準確率達到 99.5%，其中模擬呼吸狀態(tài)識別率更是達到 100%。相比之下，單一 BiLSTM 模型的整體準確率為 99%，尤其在慢呼吸識別中存在 3% 的誤差，充分證明了殘差網絡優(yōu)化的有效性。

應用驗證：從實驗室到臨床的跨越

在圣保羅大學開展的人體試驗中，13 名志愿者佩戴該系統(tǒng)進行了不同呼吸狀態(tài)的監(jiān)測。研究人員將商用呼吸傳感器作為對照，發(fā)現新系統(tǒng)在捕捉呼吸頻率變化上表現出獨特優(yōu)勢：當志愿者從慢呼吸（6 次 / 分鐘）過渡到快呼吸（30 次 / 分鐘）時，ResNet-BiLSTM 模型能在 2 個呼吸周期內完成狀態(tài)識別，而傳統(tǒng)閾值法常出現誤判。

更值得關注的是其在復雜場景下的穩(wěn)定性。在針對 6 名志愿者超過 300 秒的連續(xù)監(jiān)測中，該系統(tǒng)對混合呼吸狀態(tài)的識別準確率達到 100%，而商用設備在呼吸狀態(tài)突變時誤差率超過 15%。研究團隊還特別測試了傳感器在不同手腕位置的適應性，結果顯示其 5.5 mm×24.8 mm 的有效檢測區(qū)域可覆蓋 92% 的人群脈搏分布，無需專業(yè)人員定位，極大提升了日常使用的便利性。

未來展望：可穿戴醫(yī)療的新范式

這項研究不僅提供了一種新型呼吸監(jiān)測技術，更建立了 "脈搏波 - 呼吸信息" 的直接解碼范式。目前研究團隊已開發(fā)配套移動應用，支持實時數據顯示與歷史趨勢分析，為個人健康管理和群體健康監(jiān)測提供了完整解決方案。

盡管當前市售無人機續(xù)航限制了其在大面積監(jiān)測中的應用，但研究人員計劃通過空氣動力學優(yōu)化將設備續(xù)航提升至 2 小時以上，并已著手在亞馬遜雨林等復雜環(huán)境開展試點。正如項目負責人所言："這種融合納米傳感與人工智能的系統(tǒng)，有望成為呼吸系統(tǒng)疾病早期篩查的 ' 電子哨兵 '，尤其在資源有限地區(qū)展現出巨大應用潛力。"

隨著柔性電子技術與機器學習算法的持續(xù)進步，這種從脈搏中 "聽" 呼吸的創(chuàng)新方案，或許會重新定義未來可穿戴醫(yī)療設備的設計理念 —— 讓健康監(jiān)測真正融入日常生活，而非成為身體的負擔。

期刊參考：

Zhang， X. 等人。（2025） 使用手指式柔性壓力傳感器系統(tǒng)從脈搏波中直接提取呼吸信息。微系統(tǒng)與納米工程。 doi.org/10.1038/s41378-025-00924-4。