颈带式耳机：通过自供电脉搏波传感器持续监测心血管症状和血压
2025-06-15 15:05:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西蒙菲莎大学开发了一种可穿戴颈带式耳机，通过自供电立体方结（Box Knot）脉搏波传感器（SBKP）以非侵入性和无线方式连续监测心血管症状和血压。
血压（BP）评估是临床重要的生命体征之一，因为它与各种慢性疾病有着重要的关系。为了在家中进行有效的连续血压监测，系统应具有便携性、用户友好性和患者舒适性，确保连续数据采集的便捷性。
据麦姆斯咨询报道，近日，西蒙菲莎大学（Simon Fraser University）开发了一种可穿戴颈带式耳机，通过自供电立体方结（Box Knot）脉搏波传感器（SBKP）以非侵入性和无线方式连续监测心血管症状和血压。该脉搏波传感器的多层架构受打结工艺的启发，其灵敏度和分辨率分别为38.17 mV/Pa和0.006 kPa，可以测量脸颊、颈部和手腕的人体脉搏波。此外，通过摩擦电机制实现的低能耗传感器使研究人员能够开发额外的用户方便的辅助护理系统：连续血压监测和潜在的音乐治疗。相关研究成果以“Neckband-type earphone for continuous monitoring of cardiovascular symptoms via self-powered box knot pulse-wave sensor”为题发表在npj Biomedical Innovations期刊上。
在这项研究工作中，所提出的无袖带、自供电立体方结血压传感颈带式耳机的示意图如下所示。自供电立体方结是将两种具有不同电荷亲和力的不同条形材料打结形成方盒结构。这种打结方法可以创建均匀配对、多层堆叠的三维结构。该传感器测量人体颈部的机械心跳，以产生脉搏波信号。当两个打结的条带由于机械脉冲节拍的变形而靠近时，摩擦电机制会产生电压输出。
可穿戴自供电立体方结无袖带血压传感器
研究人员提出的摩擦电传感器设计源自结构视角。从根本上说，两种不同摩擦电材料之间更大的有效接触面积，会促使摩擦电机制的能量收集性能越好。因此，设计考量了堆叠的空间结构策略，特别是立体方结方法。研究人员引入了立体方结设计，其特征在于立体方盒形的均匀堆叠结构。由于多层堆叠结构，交错条带之间的总有效面积可以显著增加，而第一打结层的垂直占位面积仍然较小。
在形成摩擦电对的相同表观面积下，该架构的自供电立体方结脉搏波传感器（SBKP）显示出比平面型传感单元高26%的电压输出。此外，使用两个不同的标准评估了其自供电性能：电压输出取决于（i）负载电阻和（ii）电容。此外，还计算了产生的功率和能量。除了摩擦电性能外，该脉搏波传感器的打结结构还表现出优异的灵敏度（38.17 mV/Pa）和分辨率（0.006 kPa），表明有潜力测量低机械力，例如人体脉搏波。此外，这项研究还没有考量材料的影响。因此，在结合其他深入的材料方法后，预计该脉搏波传感器具有更优的性能。
摩擦电立体方结的性能
作为开发用于连续监测心血管症状和血压的可穿戴设备的第一步，该脉搏波传感器与心电图（ECG）和光电容积脉搏波（PPG）传感器集成，并制造了一种紧凑的人体生命信号传感设备，称为SBKP-1.1。SBKP-1.1同时测量三种不同的传感器信号，其无线连接允许连续实时监测心血管症状。该SBKP-1.1进一步升级，打造了一款可穿戴颈带式耳机，用于心血管症状和血压的连续诊断，命名为SBKP-1.5。SBKP-1.5中还包括其他功能，例如可与智能手机进行蓝牙配对以实现音乐播放或通话，以及配备自动脉搏传输时间（PTT）计算算法。
自供电立体方结脉搏波传感器装置
用于持续心血管健康监测的颈带式耳机
为了将血压测量功能添加到SBKP-1.5中，对六名人类参与者进行了校准过程。实时收集数据，包括ECG-PPG和ECG-SBKP对的PTT及其使用传统血压计测量的相应血压。基于PTT和血压之间的趋势，对SBKP-1.5固件进行了更新，以直接测量血压。经过校准过程，研究人员通过SKBP-1.5演示了可穿戴颈带式耳机用于连续血压监测的优势。SKBP-1.5可以无延迟地测量血压，而血压计每次测量血压至少需要60秒。这些特征允许对处于不同姿势和声学条件下对人类受试者进行更仔细的血压监测。
总而言之，研究人员开发了一种可穿戴颈带式耳机，用于连续监测心血管症状和血压。受打结工艺的启发，开发了利用摩擦电传感机制的自供电立体方结脉搏波传感器。打结方法能够生成多层堆叠结构，这有助于增加交错条带之间的总有效面积，而第一打结层形成的垂直占位面积仍然很小。开发的用于人类医疗辅助的可穿戴颈带式耳机，称之为“可戴式医疗设备”，即使在远程工作条件下，也有利于个人医疗保健。除了临床外护理，这种可戴式设备还可以在心血管健康的音乐疗法领域提供进一步有意义的研究，例如在不同音乐聆听条件下人体血压的原位变化。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44385-025-00007-z
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