臨床上,喉部病癥的檢測與術后的康復評估通常只能依賴于X射線造影或者電子喉鏡來觀察喉部狀況,尤其對于食團標志物流速、容積率、吞咽節律等信息的監測。通常受場景限制的X造影會導致病患和醫護長達30min的射線輻射,而電子喉鏡是入侵式的并且價格昂貴(依賴進口單根超過3000元),容易造成患者的檢測不適,導致監測過程中因為梨狀窩位置的肌肉閉合形成嚴重的視域遮蔽問題。
針對上述問題,本團隊提出了一種用于喉部康復監測的具有傳感器內自適應機器學習能力的全集成且獨立可拉伸的器件平臺。該平臺通過機電協同和一體集成設計賦予器件系統可延展性和電通路,利用混合集成制造技術將界面低阻抗且親膚的凝膠電極、三軸加速度傳感器以及可延展的信號采集/處理/無線通信電路集成到同一貼片器件,該器件表現出與皮膚貼合良好的機械順應性(器件拉伸楊氏模量E=89.5 kPa)、優越的拉伸能力(——30%),并且由于具有喉部肌肉電、振動信號無線采集的能力,可以貼附與喉部實現對吞咽、發聲、咳嗽、飲水、心臟節律和胸腔擴張等多種皮上原位信號的獲取,結合基于機器學習的類二維卷積提取器對喉部13種原始一維特征的二維訓練,可以在新的受試者中仍能實現90%以上的特征識別自適應能力。由于該器件平臺優秀的柔軟性和無線多模采集能力,在臨床上對肌無力患者和喉癌術后患者進行了喉部的貼附測量,相較于醫護人員憑借電子喉鏡的視覺觀察結果,該平臺同樣對患者標志物節律和誤吸情況都有清晰的動態俘獲,表現出其潛在的應用價值。
(1)可延展混合集成貼片電路制造關鍵技術。
針對柔性傳感器件匹配電路在皮表適形能力差、延展能力不足以及缺乏系統集成的問題,開展了柔性電子線路系統的可延展線路納秒激光微刻、無束縛微結構轉印、低溫回流焊和一體化封裝的混合關鍵加工工藝研究,實現了皮表適形的可延展混合集成貼片電路一體化柔性制備和肌肉電和振動信號的皮表貼附的無線測量,為柔性力傳感器及后端電路集成提供可靠的技術支持。
(2)基于掃描電鏡下原位微觀表征技術
針對柔性可延展傳感器力學加載下力電失效行為判定困難的問題,通過原位掃描電鏡技術從微觀上探究可延展傳感器/電極力學加載下的力電行為,有助于充分了解基體/電極在外力加載過程中導致的結構、應力和功能演變;確定了傳感器/電極在外部激勵下電學與力學失效行為相關性,逆向指導結構設計;建立了一套微觀下傳感器/電極力電行為與結構設計耦合相關性理論,是對傳統柔性傳感器件表征方式有效的補充,為制備優異性能的柔性傳感器器件打下了堅實的實驗基礎。
概念驗證、原理樣機
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