可穿戴传感器的发展在近些年非常迅速。目前，全球主要的消费电子公司大多都推出了专属的可穿戴产品，例如苹果的 Apple Watch、微软的 Microsoft Band 以及华为的 Huawei Watch 等。不过这些设备大多都裸露在皮肤外，容易受到环境温度等外部因素影响。
图丨上海交通大学“微米纳米加工技术全国重点实验室”杨卓青团队，二排左四是杨卓青教授（来源：杨卓青）
近日，上海交通大学“微米纳米加工技术全国重点实验室”的杨卓青教授团队在 IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 发表了关于原位睡眠呼吸监测与鼻周期研究的最新论文，即《基于双通道柔性可穿戴系统和深度学习辅助分析的长期睡眠呼吸监测》（Long-Term Sleep Respiratory Monitoring by Dual-Channel Flexible Wearable System and Deep Learning-aided Analysis）[1]。
上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系博士研究生张浩东为论文第一作者，上海交通大学研究员杨卓青教授和上海市第六人民医院耳鼻喉头颈外科苏开明教授（主任医师）为论文共同通讯作者。
图丨相关论文（来源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
这项成果利用可介入鼻腔内部的可穿戴超细柔性传感器，实现了在稳定环境下对人体睡眠时呼吸气流的长时间、双通道以及高精度的监测。
为达到可以伸进鼻腔的目的，该团队研发了 3D 旋转曲面光刻系统，博士研究生张浩东成功制作了基于阻变原理的超柔细呼吸传感器，该传感器以外径 300μm 的超细柔性聚酰亚胺管作为衬底。
该柔性监测系统以类似“创可贴”的形式黏贴于嘴唇上方，再延伸出两条非常细的传感器，伸进左右鼻腔内部。
这种传感器直径相当于 3 根头发丝的粗细，与人体的鼻毛相当，所以不会令佩戴者感到任何异物感。同时，因为伸入鼻腔内部，所以具有更稳定、可靠的环境，不仅避免了受外部环境的影响，还能保持它的稳定性和高灵敏度。
此外，还有一块处理电路放在佩戴者的胳膊上。目前，该模块的尺寸已能做到普通手机的三分之一，近似于半个手掌。并且，它与伸入鼻腔的两根传感器通过一条极细的导线相连，从而开展工作。不仅如此，该团队还开发了一套睡眠呼吸监测系统，集传感器、系统板、APP 于一体，能够实时监测呼吸信号，持续时间高达 8 小时以上。
（来源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
事实上早在杨卓青以日本学术振兴会外国人特别研究员（JSPS Fellow）身份留学日本时，他就已开始了相关研究工作，此次所研制的创新设备更是能够成功地在微细圆柱/圆管（柔性或刚性）表面上实现多种微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）传感器或微结构的原位 3D 集成制造，并具备可控自动变焦功能，解决了不同功能材料薄膜在微细圆柱/圆管形衬底上的多层精确图形化难题，为类似介入式/植入式超细 MEMS 器件的 3D 集成制造开辟了一条全新的技术途径。
杨卓青谈到，这项研发的起因是他去医院就诊时，在与苏开明教授聊天时，两人产生将柔性传感器伸进鼻腔做呼吸监测的想法。
他们认为，阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合症（Obstructive sleep apneahypopnea syndrome， OSAHS）在睡眠过程中使呼吸气流反复发生非自愿停止或减少，多表现为睡眠打鼾、憋气、觉醒等，这容易引起睡眠质量差、日间嗜睡、注意力涣散等问题。
但若能在早期对睡眠呼吸进行监测，就能较好的预防该玻可现有的医用监测仪器使用繁琐，造价很高。所以在受到各类生物医学诊断的启发后，杨卓青决定尝试用超细柔性传感器代替现有仪器。惊喜的是，这种传感器在原位呼吸监测领域具有独特的优势。
因为它不仅具有柔性可穿戴传感器体积孝重量轻的优势，还避免了很多柔性传感器佩戴舒适度差、抗干扰性差、测量时间短等问题。
（来源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
不仅如此，研究团队在和其他专家的探讨中发现同时监测左右两侧鼻气流的信号具有重要意义。实际上人体两个鼻腔的呼吸信号是存在差异的，而这种差异性主要体现在鼻周期上。
而“鼻周期”是指人体左右鼻甲黏膜的交替性收缩和扩张，导致常常一侧鼻腔堵塞/气流减弱，而另一侧鼻腔畅通/气流增强的现象。这是一种持续的自然生理现象。
但受限于以往的实验条件和仪器，关于鼻周期的研究进行得比较困难，其生理学功能和意义并不明确。杨卓青团队在与苏开明团队合作后，通过研发的超细柔性传感器，进行了临床试验，成功地观测到了健康佩戴者的鼻周期现象，同时还发现了不同种类的鼻周期信号。
（来源：IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）
“它也可以监测到其他的一些症状，最近我们就发现，这与睡眠分期是有关系的。比如发生鼻周期转换的时间点，处于睡眠分期的某一期。例如抑郁或焦虑症患者，他的鼻周期就可能发生紊乱，在睡眠过程中鼻腔气流强弱就会发生多次转换。通过对鼻周期变化的分析，可以作为重要依据去诊断一些精神状态的疾病，甚至是脑部疾病，这都是非常好的研究方向。”杨卓青说道。
他表示：“我们团队目前的一个挑战和目标，就是如何将这个电路模块做到更校可以做到手表、项链或是骨传导耳机那般，提高佩戴者的舒适性。”不仅如此，他们还面临如何将这种传感器做到量产以及如何获得正式医疗器械注册认证等难关。
目前，该项研究成果已申请/授权一系列发明专利，并获得多个创新创业项目奖项，正在开展产业化合作和进一步的临床实验。
杨卓青表示：“目前，核心的传感器需要经过类似诸如光刻、刻蚀、溅射等一道道工序才能做出来，所以造价较高。如果未来能将制造成本降下来，一套设备可能就需要几百块，那时走进千家万户就指日可待了。”
图丨利用 3D 旋转曲面光刻系统在超细圆柱/针尖衬底上加工的各种微纳传感器单元（来源：杨卓青）
展望未来，他表示，团队目前所开发的 3D 旋转投影光刻技术不但在各类生物医用超细介入/植入式器件中发挥着重要作用，而且在其他工业领域中也具有普遍应用价值，可以将各类传感器原位加工制造在装备部件上，实现真正的完全集成化。
例如，该团队已在医美行业中所用的黄金微针表面上原位制造了高精度薄膜温度传感器，可实现射频黄金微针介入表皮治疗时温度的实时反馈；课题组也成功研制了超细流速传感器，可进入特种装备的狭窄管道内进行流速/流量的精确测定等。
参考资料：
1.H. Zhang, et al., “Long-Term Sleep Respiratory Monitoring by Dual-Channel Flexible Wearable System and Deep Learning-aided Analysis,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. (2023).https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10163891
2. Z. Yang, et al., “Flexible Implantable Microtemperature Sensor Fabricated on Polymer Capillary by Programmable UV Lithography With Multilayer Alignment for Biomedical Applications,” IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 1, pp. 2129, Feb. 2014, doi: 10.1109/JMEMS.2013.2269674.
3. Z. Yang, et al., “A Novel MEMS Compatible Lab-on-a-tube Technology,” Lab on A Chip, 2014, 14, 4604-4608, doi: 10.1039/C4LC00997E.
4. H. Zhang, et al., “A Flexible Implantable Polyimide Catheter Device for Targeted Treatment of Cardiovascular Diseases by Aggregating Magnetic Nanoparticles,” IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 6, pp. 911917, Jun. 2021, doi: 10.1109/TCPMT.2021.3082923.
5. H. Zhang, et al., “A Wearable Ultrathin Flexible Sensor Inserted Into Nasal Cavity for Precise Sleep Respiratory Monitoring,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 68, no. 8, pp. 40904097, Aug. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3087453.
6. 张浩东，苏开明，殷善开，杨卓青*. 柔性可穿戴式呼吸传感监测系统研究进展，功能材料与器件学报，2021，4(11)， 281-291.
