基于PMUT的可穿戴听诊系统，用于持续心肺监测
2026-10-11 15:59:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
基于PMUT的集成式无线柔性可穿戴听诊系统，用于持续采集心肺活动产生的机械声学信号。该系统具有高灵敏度、宽工作带宽和平坦的频率响应，结合柔性共形封装和无线读出电路，能够在日常活动场景下实现长期稳定的心肺功能监测。
人体会持续产生微弱的宽频机械声学信号，其中蕴含丰富的心肺生理和病理信息。这些信号的细微变化可以为心血管疾病、阻塞性睡眠呼吸暂停等疾病的早期识别提供线索。近年来，可穿戴传感技术的发展推动听诊技术走出临床场景，为持续监测与远程医疗应用提供了实现路径。但在日常生活场景下，这类信号的可靠采集仍受可穿戴设备机械耦合性不佳、传感器带宽受限、运动伪影等问题的限制。
据麦姆斯咨询报道，近期，重庆大学、中北大学的研究团队联合提出一种基于压电式微机械超声换能器（PMUT）的集成式无线柔性可穿戴听诊系统，用于持续采集心肺活动产生的机械声学信号。该系统具有高灵敏度、宽工作带宽和平坦的频率响应，结合柔性共形封装和无线读出电路，能够在日常活动场景下实现长期稳定的心肺功能监测。通过将机器学习算法与传感平台集成，可以进一步实现多种呼吸状态的自动分类。相关研究成果以“Broadband wearable acoustic sensing for continuous cardiopulmonary monitoring”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 用于心肺健康监测的集成式可穿戴听诊系统
这项研究提出的集成式可穿戴听诊系统由柔性印刷电路板（FPCB）、PMUT传感器、电子元件、可充电电池、低功耗蓝牙模块与柔性硅橡胶封装层构成。作为核心接收传感器，PMUT传感器通过压电效应将心肺声音信号转换为电信号，其基本结构包括顶电极、压电薄膜、底电极和空腔。针对心肺声学信号监测对灵敏度、带宽和响应平坦度的要求，研究人员利用有限元仿真对比了锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN）两种压电材料，以及方形和圆形振膜结构，最终选用了性能更优的圆形AlN芯片结构方案。制备完成后的PMUT阵列尺寸仅为2 × 2 mm²，实测谐振频率为1.04 MHz，封装后的PMUT传感器灵敏度为−167.5 dB，在10 Hz ~ 10 kHz工作带宽内频率响应平坦度控制在±0.5 dB以内。器件采用硅橡胶进行柔性共形封装，在拉伸、扭转、弯折等形变下均能保持稳定的工作性能。
图2 PMUT传感器的设计原理与性能表征
人体测试结果表明，基于PMUT的集成式可穿戴听诊系统能够紧密贴合皮肤，在标准心脏听诊部位采集心音，测量结果与临床级检测系统较为一致；并且在运动状态中也能稳定追踪心率，展示出抗运动和环境干扰的能力。此外，将该听诊系统与残差神经网络结合后，可自动识别清醒、睡眠、呼吸暂停、鼾音和哮鸣音五类呼吸状态，准确率为98.7%。这些结果展示了该系统在家庭医疗保健、数字健康监测、呼吸疾病筛查等方面的应用潜力。
图3 可穿戴听诊系统用于心音与呼吸音采集
图4 五个常用心脏听诊部位的心音检测以及运动期间的持续监测
图5 可穿戴听诊系统用于居家睡眠质量与睡眠障碍评估
综上所述，这项研究通过将AlN PMUT传感器、柔性共形封装与无线传输技术相结合，开发出一种高度集成的可穿戴听诊系统，兼具高灵敏度、宽工作带宽和平坦的频率响应。该系统能够在静止和运动状态下稳定采集心音与呼吸音，结合机器学习算法还可自动分类呼吸状态。这项研究为真实环境中的持续、高保真心肺监测提供了可扩展、低成本的技术方案，有望推动可穿戴声学传感向自主化健康监测应用发展。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01460-5
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