来源：生命科学前沿
随着每年因驾驶员疲劳或困倦引发的交通事故数量高达数十万起，开发能够在车辆中非接触且不显眼地监测驾驶员生理标志物（如心率和呼吸）的生物传感器技术变得尤为重要。这些传感器有助于提前发现健康问题、预防疲劳相关的事故，并评估压力和情绪状态对驾驶性能的影响。然而，在动态环境中，如汽车或航空应用中，由于存在振动、随机身体运动和多个乘客，现有方法难以可靠地捕捉这些生理标志物。因此，研究者们报告了一种新型的数字化刺绣超材料生物传感器，它能够在不接触身体的情况下，在动态环境中捕捉心肺信号，为提高驾驶安全提供了新的解决方案。
新加坡国立大学John S. Ho团队、清华大学深圳国际研究生院田曦博士设计了关于一种新型的数字化刺绣超材料生物传感器，它能够在动态环境中非接触地捕捉心肺信号。这种生物传感器通过数字刺绣技术制成，可以集成到安全带来检测生理运动，通过无线信号与身体的近场相互作用来实现。
【主要内容】
图1 非接触式超材料生物传感器研究人员设计的这种数字化刺绣的超材料生物传感器能够非接触地监测心肺信号，通过无线信号在安全带上的共形传播与人体生物组织进行交互，实现了心跳和呼吸的检测。这些信号被用于提取生理特征，并应用于诸如疲劳检测、活动监测等多种健康监测场景。图中还展示了生物传感器在航空舱模拟器中的不同位置集成情况（肩带、腰带和厚衣服覆盖下的肩带），以及在不同配置下收集的样本传感器信号和它们所提供的应用。
图2 纺织超材料生物传感器的设计该传感器采用数字化刺绣技术，使用导电线在纺织品上精确制造出复杂的周期性图案。图中展示了超材料波导的几何设计参数和表面模式的色散曲线，这些曲线显示了不同参数下波数的变化，以及在2.4-2.5 GHz的ISM频段内的表面等离子体模式。此外，图中还展示了过渡段的设计，该过渡段实现了从超材料结构到50Ω共面波导的高效波矢转换。通过模拟，展示了传感器在人体模型上的性能，包括表面波的约束和能量集中，这增强了与身体组织的无线交互，从而更有效地调制传播相位。图中还模拟了呼吸和心跳运动对传播表面波的影响，这些影响以传输无线信号的相位变化形式被检测到。
图3 关于传感器位置的传感性能表征通过将传感器集成到安全带的四个不同位置，研究人员收集了四名健康受试者的生理数据。这些数据包括心率（HR）和呼吸率（RR），并通过心电图（ECG）作为参考信号进行验证。图中显示了生物传感器数据与ECG参考测量值之间的高度相关性，表明传感器能够准确检测心跳信号。同时，通过Bland-Altman分析，进一步证实了生物传感器与参考测量值之间的一致性。这些结果表明，无论传感器在安全带的哪个位置，都能可靠地提取心率和呼吸信息，即使在穿着冬季外套的情况下，生物传感器也表现出良好的性能。
图4 超材料生物传感器在模拟飞机座舱环境中进行连续生理监测的能力传感器集成在肩部安全带中，能够在进行日常活动如说话、喝水、打字和使用手机时，可靠地捕获呼吸和心跳信号。即使在身体运动和背景干扰的情况下，传感器也能准确地监测生理数据。此外，传感器还被集成到安全带中，以监测倾斜姿势下的生理信号，证明了在不同身体方向下，传感器能够以15毫秒的中值IBI估计误差捕获生理信号。在六小时的睡眠实验中，传感器能够通过心率变化检测睡眠-觉醒转换，准确捕捉到睡眠开始时心率的显著下降以及睡眠期间突然的心率变化，这些变化与觉醒密切相关。通过将传感器输出作为物理活动指标，并结合心率数据，使用基于规则的方法对睡眠-觉醒阶段进行分类，与智能手表获得的参考睡眠-觉醒阶段相比，估计的睡眠-觉醒阶段达到了95%的检测率。
图5 超材料生物传感器在实际车辆环境中的生理监测能力研究人员将传感器集成到车辆安全带中，以监测驾驶员的生理指标。即使在车辆怠速和行驶过程中遇到显著的振动干扰，传感器也能清晰地捕获呼吸和心跳模式。通过基于VMD算法的信号处理流程，研究人员能够有效地从动态噪声中分离出呼吸和心跳信号。实验中，参与者被要求模仿驾驶员的动作，传感器的检测结果与参考测量值之间的标准差误差仅为39毫秒，显示出高度的可靠性。在城市驾驶环境中，传感器连续监测乘客的生理指标，记录了车辆的位置、速度和加速度信息，并与参考测量值进行了比较，结果显示传感器在不同交通条件下均能保持高准确度。上图还展示了整个驾驶过程中检测到的心率和呼吸率的变化，有效地反映了生理变化，如驾驶员的警觉性和困倦程度。
【全文总结】
本文介绍了一种创新的数字化刺绣超材料生物传感器，它能够在不接触身体的情况下，在动态环境中监测心肺信号。这种生物传感器由新加坡国立大学的研究团队开发，具有在运动车辆中监测驾驶员生理指标的潜力，如心率和呼吸，从而评估驾驶员的警觉性、疲劳和压力水平。
该传感器采用数字刺绣技术制成，使用导电线在纺织品上创建软质传感器，能够适应身体活动并与现有的安全装备集成。研究团队在航空舱模拟器和真实车辆环境中测试了传感器的性能，证明了其在连续监测心跳和呼吸方面的准确性和可靠性。传感器还能够在睡眠监测中检测睡眠-觉醒周期，并且在城市驾驶环境中，即使在交通拥堵和道路条件变化的情况下，也能持续监测乘客的生理变化。
这项研究的成果表明，超材料生物传感器在动态环境中进行非接触式生理监测方面具有显著的潜力，可以用于开发监测驾驶员疲劳和困倦的应用程序，从而提高道路安全。研究还展示了超材料生物传感器在设计、制造和性能评估方面的详细过程，为未来在医疗监测和健康评估领域的应用提供了新的可能性。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41928-024-01263-4
