用于人体连续呼吸监测的类皮肤混合集成电路

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呼吸是人体与外界环境之间的气体交换过程，主要进行氧气和二氧化碳的补充与排出，是维持生命活动所必须的生理过程。呼吸频率、深度是反映人体健康状况的基本生理指标。连续精准的呼吸监测对于临床医疗和个人健康都有重要的现实意义。

睡眠呼吸暂停综合征是在睡眠过程中出现呼吸暂停、呼吸变浅、呼吸不规律等呼吸失调症状的疾病。目前临床针对睡眠呼吸暂停综合征的诊断依据主要是多导睡眠图。多导睡眠图中包含了脑电、心电、肌电、眼动、呼吸、体位体动、血氧饱和度等多种生理信号。多导睡眠仪在精确诊断和早期筛查方面尚存以下不足：

1. 处于新环境且佩戴众多仪器以及信号传输导线的束缚会一定程度上影响患者睡眠质量，甚至导致失眠，使得所采集的生理信号数据与真实睡眠情况不符，从而妨碍精确诊断；

2. 多导睡眠仪体积较大且操作复杂，不利于展开对更大范围人群的日常睡眠质量监测与呼吸暂停的早期筛查。

针对上述问题，浙江清华柔性电子技术研究院的研究人员提出了一种将类皮肤的柔性混合电路与可延展柔性传感单元集成的柔性化策略，并基于人体脸部几何形貌特征设计出面膜式的呼吸监测系统，利用传热学分析构建基于可延展温度传感器的呼吸监测原理，提出压缩屈曲构型作为传感器工作形态以提升传感器信噪比和力学顺应性，用以解决现有呼吸监测技术中器件刚性、有线导联、传感单元与信号处理单元分离带来的不舒适感、精度差、不可长期监测、数据传输与处理滞后等问题。该呼吸监测技术的基本原理是通过贴于鼻子下（人中处）的温度传感器实时采集人体呼出和吸入气体的温度，并传输至集成化的柔性混合集成电路，用以数据的预处理、模数转换、处理，通过低功耗蓝牙系统级芯片（SOC）将实时数据无线分享至移动用户终端，并在用户应用软件上面实时显示。

图1：器件原理示意图

近日，研究团队在国际电子材料领域知名学术期刊《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials）上在线发表了题为《应用于连续呼吸监测的可共形贴附于面部的类皮肤混合集成电路》（Skin-Like Hybrid Integrated Circuits Conformal to Face for Continuous Respiratory Monitoring）的研究成果。研究人员通过将类皮肤的柔性混合电路与可延展柔性传感单元集成，提出了系统级集成电路的柔性化策略，建立了从信号采集、传输、处理到无线通信等多模块一体化的柔性平台，解决了可延展柔性传感单元与后端电路的异质集成的问题；并通过人力学建模优化，该柔性集成电路可共形贴附于具有复杂几何特征的面部，可实现人体在诸如休息，运动，吃饭，喝水和睡觉等动静态多场景下连续呼吸监测，展示了柔性电子技术在人体呼吸相关的临床与生理学基础研究中的广阔应用前景。

图2：器件示意与实物图

利用本集成器件实现了的一系列多场景随体呼吸监测实验，包括静态与动态监测，如休息，运动，睡觉，而不对人体的正常活动造成任何影响，表明了该器件具有精准舒适监测人体呼吸的能力，在与呼吸系统相关的临床与生理学基础研究中具有明确应用价值。此外，该研究所提出的系统级的柔性混合集成电路为人体其他生理信号的连续实时监测提供了重要基础，为人体健康监测器件的大规模工业化生产和推广应用提供了一条新的研究思路。      

图3：多场景实验

浙江清华柔性电子技术研究院助理研究员陈颖博士为文章的第一作者，浙江清华柔性电子技术研究院是清华大学探索多学科交叉与校地合作新模式的试点，是浙江省人民政府与清华大学共同打造的新型高端科研机构。

作者简介：

清华大学冯雪教授是论文通讯作者，冯雪教授团队长期致力于研究超常规环境下力学和柔性电子技术，发展可延展／超柔性等超常规微器件与大规模集成技术，所发展的柔性电子技术用于健康医疗、智能感知及重大装备，近年来在《Science Advances》、《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》等期刊发表一系列高水平论文。该项研究得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家自然科学基金等的资助。

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