可测量压力和剪切力的多轴传感器系统，用于AR生理参数监测
2025-10-13 21:31:02   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，医疗行业对增强现实（AR）技术的需求日益增长，这得益于其沉浸式交互环境，能够帮助医护人员在手术、康复、诊断、教育和治疗过程中更直观地解读传感数据。然而，目前与AR平台集成的可贴肤式穿戴传感器，更多地聚焦于人机交互（HMI）功能以实现交互体验。此外，目前大多数与AR系统配合使用的穿戴传感器存在刚性、笨重等问题，这限制了其在患者皮肤界面的应用，难以满足个性化医疗监测需求。

据麦姆斯咨询报道，针对上述挑战，韩国科学技术院（KAIST）、韩国电子通信研究院（ETRI）等机构的研究团队开发出一款轻薄小巧的无线无电池多轴传感器，并将其与AR平台集成，可对受试者的传感数据（例如压力、剪切力和温度）进行可视化呈现。该系统在预防压疮、监测姿势以预防椎间盘突出，以及为轮椅使用者和卧床受试者提供直观的AR生理参数监测方面，均展现出良好的应用效果。相关研究成果以“Wireless, battery-free multi-axial sensor for augmented reality-assisted monitoring at skin interfaces”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。

这项研究提出的多轴传感器包含四个三层悬臂式应变片，外部包裹有柔软的弹性体外壳。当受到压力与剪切力作用时，通过整合四个悬臂式应变计输出的电信号，可获取合成力（即压力与剪切力）的大小及方向信息。整个系统主要分为两部分：（1）基于近场通信（NFC）的无线传感平台，可实现压力、剪切力与温度的实时连续测量；（2）AR系统，通过智能设备对传感数据进行可视化处理，构建沉浸式交互环境。

图1 无电池无线多轴传感器的示意图与实物图

图2 无电池无线多轴传感器的性能特征

为实现多用途生物医学应用，研究人员将该系统应用于轮椅使用者和卧床受试者，并结合机器学习技术，验证了其在以下场景中的有效性：（1）预防压疮；（2）监测姿势以预防椎间盘突出；（3）通过AR系统直观监测作用于皮肤界面的力信号。针对受试者的验证试验表明，得益于无线无电池技术实现的轻薄小巧设计，该多轴传感器在多用途监测过程中表现出良好的稳定性与适配性，且未给受试者带来任何不适感。

图3 基于无线无电池多轴传感器对轮椅使用者进行姿势监测

图4 基于无线无电池多轴传感器对卧床受试者进行AR辅助监测

综上所述，这项研究所提出的与AR系统集成的无线传感平台，能够让医护人员通过AR技术即时、直观地获取多种隐性触觉传感数据。这不仅支持医护人员快速、直观地判断患者健康状况，还能帮助在医院场景中节省时间与精力，进而缓解全球范围内医护人员短缺的问题。此外，该系统还可辅助医护人员开展压迫治疗、神经损伤预防及假肢界面应用——在这些场景中，对多个部位的压力与剪切力数值进行实时测量，对于实现精准诊断和有效治疗至关重要。

然而，目前仍存在若干未解决的技术挑战。首先，当前AR系统面临延迟问题，这会影响传感数据的实时可视化。为确保临床环境中交互的流畅性与决策的及时性，必须最大限度降低这种延迟。其次，无线多轴传感器与AR系统的集成还面临其它挑战，例如实现可靠的数据同步与实时分析——尤其是在涉及多个传感器的动态环境中。此外，尽管该无线传感器系统已被证实有效，但如何实现与人体皮肤的完美贴合，以及确保其对不同体型和动作的良好适配性，仍需进一步改进。

未来，在沉浸式交互AR环境中，将无线多轴传感器阵列获取的传感数据叠加到用户视野中，将帮助医护人员更好地了解皮肤界面的各类生理参数（例如压力、剪切力、温度、心率、湿度、pH值和汗液成分），并即时评估与疾病诊断及预防相关的风险因素（例如压疮、椎间盘突出、下肢静脉溃疡、神经损伤等）。特别值得注意的是，鉴于医护人员（例如护工和专业医疗人员）短缺已成为全球性问题，研发并验证“传感器-人工智能（AI）”集成预测模型对于提升医院运营效率至关重要。未来的研究将聚焦于建立可靠的预测模型，这需要制定可扩展的全面方案，例如在医护人员指导下开展临床试验，从大量受试者中收集高质量临床数据。此外，AR系统与无线传感平台的集成在医疗健康领域具有巨大潜力，可广泛应用于假肢优化、康复治疗、疾病诊断、医学教学及临床治疗等多个医疗场景。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41528-025-00479-4

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