“补丁”传感器可以监控心脏功能并识别语音

西北大学/科罗拉多大学博尔德分校

生理机械声信号可以为我们提供许多有用的信息，包括健康信息。问题在于，如果没有特殊设备的帮助，它们将无法被听到。普通听诊器和数字加速度计可以捕获一些信息，但是不适合在连续，便携式模式下使用它们。另外，两者都具有与信号通过皮肤的机械传输有关的缺点。科学家们推出了一种新设备，其中消除了所有这些缺点。

一种软声传感器，可以贴在皮肤上，跟踪您的心律并识别人类语音。这是由来自伊利诺伊大学香槟分校。这种表皮传感器可以帮助诊断疾病，并允许人们在没有袖珍设备的情况下控制机器人并玩计算机游戏。


设备图：A —设备结构；B是组装好的装置的示意图。C是由镊子支撑的弯曲装置；D-皮肤上的传感器；在设备表面培养的细胞的E-荧光显微照片。绿色和红色区域对应于活细胞和死细胞。F-演示设备的拉伸能力；G-对承受最大应力的互连结构进行建模的结果，H-在鸡胸模拟振动源处测得的振动反应之和

以前的发现可以检测到皮肤上的声音振动的技术基本上是基于听诊器的原理。研究的主要作者霍华德·于浩（Howard Yu Hao Liu）说，它们太大了，是用硬质材料制成的。这样的设备难以佩戴，并且在某种程度上抑制了声音信号。

与之前制造的大型设备不同，新型传感器使用微型低功耗MEMS加速度计。它们被放置在粘性的弹性硅橡胶板上。研究人员说，这些加速度计已经过调整，可以振动0.5至550 Hz范围内的频率。该频率是发出人体重要器官的声音的特征。弹性铜线将这些传感器连接到放大器，电阻器和电容器。

新设备类似于一个小补丁，重量仅为213.6毫克。它的厚度是20毫米。该设备非常灵活且富有弹性，因此可以戴在身体的任何部位，包括脖子上。有人认为在身体上长时间佩戴橡胶板是非常不便的。至少由于下面的皮肤会发热和出汗的事实。但是科学家们保证，由硅橡胶制成的“补丁”可以蒸发汗水。该设备还具有记录人体电信号的电极。它们帮助传感器监控心脏和心脏起搏器的工作。

实验表明，该传感器可以一次连续地收集几种不同类型的声音信号：打开和关闭心脏瓣膜，颈部颈动脉中的血液脉动，声带的振动以及胃肠道的运动。科学家在亚利桑那州图森的一家私人诊所对志愿者进行了测试。在测试期间，事实证明该设备能够检测到心脏杂音。科学家还使用心室支持系统进行了一项实验。该设备有助于心脏泵血，从而部分或完全替代其功能。科学家以这种方式模拟了心脏的工作，还模拟了血栓形成和栓塞的情况。新的传感器完成了这项任务，并能够检测出可能致命的血凝块。

除医学外，科学家还发现了其设备的其他用途。如果将“补丁”粘贴在喉咙上，则可用于控制机器人或玩视频游戏，并用作将命令发送到计算机的接口。适当放置的传感器可以捕获来自关节装置肌肉和声带的声音振动的信号。志愿者可以控制吃豆人的角色，给他的声音命令“上”，“下”，“左”和“右”。单词识别准确率是90％。


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传感器与皮肤之间的紧密接触实际上使它们的操作不受环境噪声的影响。在该图中，您可以看到游戏过程中由表皮传感器和标准iPhone麦克风（连接到喉咙）记录的命令字的频谱图的比较。噪音源距离酒店有2.5米。在噪声水平不超过30 dB的安静环境中，传感器和麦克风显示出相似的结果。在嘈杂的环境（60 dB）中，麦克风的录音会受到很大影响，但这并没有影响原型的工作。

因此，该设备可在噪声增加的情况下用于通信。 Howard Yu Hao Liu认为，该传感器还可以帮助有语言障碍的人，战场上的士兵和灾区的第一目击者。

现在，原型的工作取决于传输数据的导线。为了使它在现实世界中更实用，一组科学家将把设备完全转移到无线数据传输中。将来，进一步的研究将有助于将表皮传感器识别的振动频率范围扩大到2000 Hz。然后，原型可以识别人类语音的所有振动，并可以充当麦克风。

该科研成果发表于2016年11月16日的《科学进展》杂志上
DOI：10.1126 / sciadv.1601185

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN399183/