以心音、呼吸音、柯氏音等為代表的音頻生理信號提供了監測人體心血管和呼吸道生理狀況的窗口，在臨床聽診中已經得到了廣泛的應用和驗證。然而，微弱的強度水平（比體表脈搏波強度弱1 ~ 2個數量級）、分散的頻率范圍成為阻礙柔性傳感器件獲取高信噪比音頻生理數據的挑戰性因素。清華大學深圳國際研究生院王曉浩/董瑛和加州大學伯克利分校林立偉團隊通過具有電磁屏蔽效果的折疊雙層壓電式駐極體傳感貼片，展示了與臨床應用相關的幾種高質量生理聲音模式。

人工孔隙中豐富的電偶極子保證了該傳感貼片在0 kPa~ 8 kPa范圍內591 pC/kPa的高動態靈敏度，特殊設計的電磁屏蔽層使諧波干擾降低了20 dB以上。結合DC ~ 600 Hz的寬工作頻帶和不低于0.1 Hz的頻率分辨率，傳感貼片對心音、語音、呼吸音以及咳嗽、吞咽等常見的生理聲音信號具有良好的跟蹤檢測能力，表現出在數字化聽診診斷方面的可行性。相關工作以“Health Monitoring via Heart, Breath and Korotkoff Sounds by Wearable Piezoelectret Patches”為題發表在Advanced Science期刊上。第一作者是清華大學深圳國際研究生院的博士研究生韓留洋。

圖1 壓電式駐極體傳感貼片的性能表征和音頻生理信號測量

心音檢測與驗證

心音的產生與心臟在一個心動周期內的機械活動密切相關，例如瓣膜關閉、室壁振動與血流變化等。在成年人正常心臟跳動中能夠清晰聽到的兩個聲音，即S1成分和S2成分，分別是由房室瓣和半月瓣的關閉所產生。研究人員使用壓電式駐極體傳感貼片跟蹤胸腔心尖處的心臟活動，同時獲取不同狀態下的呼吸波、脈搏波和心音結果。同時觀察到深呼吸時的S2生理性分裂現象，并通過希爾伯特頻譜驗證。此外在400秒的長時間連續監測中，傳感貼片與參考ECG和醫療生理記錄儀BIOPAC的結果在心動周期和收縮期與舒張期時長上保持高度的相關性，驗證了心音測量的可靠性。

圖2 心音的測量、分析與驗證

柯氏音檢測與血壓評估

柯氏音是血液湍流時與血管壁的沖擊和摩擦發出的聲音，通常在手臂肱動脈處獲取。柯氏音的頻率成分與心音類似，并與心音S1成分具有時間上的一致性（圖3b）。柯氏音的一項重要應用是對血壓的檢測，被認為是無創血壓測量的金標準。相比于現有的基于示波法或脈搏容積的電子血壓計，柯式音法具有精度高、適應性強、不依賴于經驗參數或模型訓練等優點，更有可能實現無偏的血壓評估。研究人員提出了通過數字化柯氏音測量血壓的評估標準，并在七名志愿者（含低血壓志愿者）中得到了成功應用。同時獲得的肱動脈脈搏波表明可以兼容傳統的示波法，以作為柯式音法評估的補充。此外，研究人員通過飲用刺激性飲料的對比實驗、和在橈動脈處柯氏音的檢測，分別說明了柯式音法對血壓波動的跟蹤檢測、以及集成在腕帶式可穿戴設備中的可行性。

圖3 柯氏音測量與血壓評估

呼吸音檢測與分類

呼吸音是呼吸氣流與氣管/支氣管壁和肺泡壁摩擦產生的聲音，根據聽診位置的差異可細分為支氣管音、支氣管肺泡音和肺泡音，三者在時域形態和頻域成分上均有較大差異（圖4c ~ 4d）。通過呼吸音的頻率、強度、以及呼吸雜音的性質、產生部位等可以反應不同的呼吸疾病，對呼吸音模式的準確分類是診斷呼吸道疾病的關鍵保障。研究人員展示了基于梅爾倒譜系數的呼吸音分類方法，并在141例正常呼吸、喘息打鼾音中實現了92.9%的分類準確率。此外，研究人員針對呼吸音作為生物特征實現身份識別進行了概念演示。

圖4 呼吸音檢測與分類

研究人員展示了使用柔性傳感貼片感知身體聲音的一系列嘗試，以論證全面監測心音、柯氏音和呼吸音等音頻生理信號的可行性。尤其是在各種應用場景中，使用具有電磁屏蔽效果的折疊雙層壓電駐極體傳感器實施高質量的生理聲信號檢測，并探索其在臨床上的潛在應用。包含更多參與者的臨床檢測和改進將是未來的研究興趣所在，在針對心血管和呼吸道的實時檢測方面有希望發揮更大的作用。?






審核編輯：劉清