Гибкий датчик упростил мониторинг дыхания

Китайские ученые разработали компактный гибкий сенсор для мониторинга дыхания за счет разности температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Он автоматически обрабатывает сигнал и определяет остановку дыхания. Такой сенсор подходит для мониторинга дыхания через нос и через рот, а применять его можно как во время физических нагрузок, так и во время сна. Статья опубликована в журнале Advanced Electronic Materials.

Регулярное апноэ во сне (остановка дыхания во время сна более чем на десять секунд) приводит к дневной усталости и увеличивает риск повышенного давления, сердечного приступа, инсульта или проблем с печенью. Для медицинской диагностики этого заболевания необходим мониторинг дыхания, а проводят его сейчас двумя способами. Первый позволяет регистрировать дыхание с помощью датчиков непосредственно на лице: они измеряют температуру, влажность и изменение давления. Такой подход реализован в полисомнографе, который измеряет несколько разных физиологических параметров во время сна, но приносит некоторый дискомфорт пациенту. 

Второй подход состоит в измерении движения грудной клетки или живота пациента при дыхании, и они уже есть в коммерческом использовании (например, Spire). Например, в прошлом году американские инженеры разработали специальную пижаму для сна, которая отслеживает частоту сердечных сокращений, дыхание и позу спящего человека. 

Однако оба механических метода мониторинга часто подвержены ошибкам, вызванными произвольными движениями человека. Именно поэтому ученые пытаются создать компактный и точный датчик, который бы измерял дыхание человека и не мешал. Сюэ Фэн (Xue Feng) из Университета Цинхуа разработал гибкое устройство для мониторинга дыхания, работающее за счет разной температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Устройство состоит из датчика температуры, располагающегося под ноздрями пользователя, и интегральной схемы на гребне носа: положение датчика не стесняет движений пользователя, а его измерения от них не зависят.

Чтобы датчик переводил разность температур в циклы дыхания, ученые разработали термическую модель для предсказания паттерна дыхания. Они предположили, что скорость дыхательного потока синусоидальная, а поток температуры имеет ступенчатую зависимость. После моделирования дыхания при различных условиях исследователи заметили, что скорость потока меняется экспоненциально, в то время как средняя температура (среднее между максимальной и минимальной) остается постоянной. При этом время ответа сенсора прямо пропорционально зависит от коэффициента конвекционного теплообмена, который, в свою очередь, зависит от площади поверхности самого сенсора — поэтому сделать его нужно было как можно меньше.Также они выяснили, что амплитуда сигнала детектора линейно возрастает с температурой выдыхаемого воздуха, в отличие от температуры вдыхаемого воздуха. Подобная система, однако, не будет работать, если температура окружающей среды будет такой же, как и температура тела.

Структуру устройства ученые создали следующим образом: на подложку с полидиметилсилоксаном и полиимидом нанесли тонкие слои хрома (десять микрометров) и золота (150 микрометров). С помощью фотолитографии и влажного травления они придали металлическому слою необходимую форму, а затем реактивным ионным травлением подстроили форму полиимида под форму металла. На следующем этапе ученые перенесли металлические слои и слой полиимида на подложку со скотчем и отвержденным полидиметилсилоксаном, соединили с проводящими контактами и нанесли на него полупроницаемый слой с защитной основой.

После удаления слоя полидиметилсилоксана и защитной основы датчик был готов, а за счет адгезии полупроницаемой поверхности он с легкостью наносится на любой участок. В таком датчике от температуры изменяется сопротивление, которое косвенно измеряется с помощью вольтметра. Схема преобразовывала аналоговые данные в числовые и передавала их через Bluetooth в приложение на смартфоне. Питание осуществлялось с помощью небольшой литий-ионной батареи.

Работоспособность сенсора ученые проверили при различных условиях: физических упражнениях, потреблении пищи, сна и отдыха — и во всех случаях пользователям было комфортно, к тому же физические упражнения в ходе тестов никак не повлияли на сигнал. Время ответа датчика составило 0,8– 1,2 секунды, в то время как стандартный период одного цикла дыхания человека равен трем-пяти секундам. Если испытуемые дышали через рот, то уменьшалась амплитуда сигнала, но дыхание все еще удавалось регистрировать.

Чтобы продемонстрировать способность датчика регистрировать апноэ во сне, исследователи проверили устройство во время сна у участника с подтвержденным апноэ. Во время сна у испытуемого они обнаружили участок с низкой частотой дыхания, а при более подробном рассмотрении они обнаружили перерыв в циклах дыхания на 40 секунд. 

Далее исследователи также разработали автоматическую систему отслеживания апноэ. Для этого они наблюдали за средней частотой дыхания за минуту и сравнивали со средней частотой дыхания за десять минут: если средняя частота дыхания за минуту меньше, чем за десять, то в таком интервале можно обнаружить задержку дыхания. Ученые проверили исходные данные и система обнаружила еще проявление апноэ.

Авторы предполагают, что для коммерческой реализации устройства необходимо разработать крепкий многослойный интерфейс и наладить процессы массового производства гибких датчиков и автоматического встраивания в гибкую интегральную схему: такой подход к получению гибкой электроники предложили всего лишь два года назад.

Дыхательные паттерны отражают как физическое, так и ментальное состояние: например, ускоренное дыхание свидетельствует о состоянии стресса, паники или страха, а повышенная температура выдыхаемого воздуха может говорить о воспалении дыхательных путей при астме. А вот дыхательные практики используются для облегчения при стрессе, тревожности, ПТСР или хронической обструктивной болезни легких.

Артем Моськин