聲帶振動(dòng)、心跳、呼吸、運(yùn)動(dòng)......在這些人體的日常自然活動(dòng)過程中，會(huì)伴隨產(chǎn)生大量的機(jī)械聲學(xué)信號(hào)，而這些信號(hào)的強(qiáng)弱、頻率則暗示著你的生理健康狀況。

不過，有許多信號(hào)會(huì)在皮膚與空氣交界處強(qiáng)烈衰減，若沒有一種“創(chuàng)可貼”式的實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備，便會(huì)影響人們對健康狀況、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)等的精準(zhǔn)判斷。

近日，中國科學(xué)院外籍院士、美國西北大學(xué)教授黃永剛團(tuán)隊(duì)，美國西北大學(xué)教授約翰·羅杰斯團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)研究員解兆謙團(tuán)隊(duì)等共同設(shè)計(jì)研發(fā)了一款柔軟、輕巧、可延展的無線機(jī)械聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備可連續(xù)實(shí)時(shí)追蹤人體自然活動(dòng)的機(jī)械聲學(xué)信號(hào)，并全天監(jiān)控健康狀況、社交互動(dòng)、量化睡眠行為、測量運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、指導(dǎo)康復(fù)協(xié)議等。相關(guān)成果發(fā)表于《自然—生物醫(yī)學(xué)工程》雜志。

論文通訊作者之一解兆謙告訴《中國科學(xué)報(bào)》，現(xiàn)有臨床級(jí)別的監(jiān)測工具，比如數(shù)字聽診器和慣性測量裝置等，存在著較高的慣性質(zhì)量、有線，以及無法保持與身體的實(shí)時(shí)共形接觸等局限性，難以實(shí)時(shí)捕獲高保真度的機(jī)械和聲學(xué)信號(hào)。

此外，現(xiàn)有設(shè)備難以持久佩戴，且會(huì)使人產(chǎn)生不適感，則是另一大不足之處。例如，捕捉從喉嚨中發(fā)出聲音信號(hào)的麥克風(fēng)，需要綁在脖子上才能監(jiān)測飲食行為和呼吸生理；記錄一系列身體過程以追蹤睡眠行為的加速計(jì)，需要用蠟固定在頸部的皮膚上。

顯然，上述類型的設(shè)備很難讓人感到舒適。因此，柔軟、輕巧、無線、且能“無感”貼合皮膚的監(jiān)測設(shè)備成為醫(yī)療健康等領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

柔性電子技術(shù)的一系列研究進(jìn)展為研發(fā)理想的設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。柔性電子“化剛為柔”，將冰冷生硬的電子設(shè)備變得輕柔、可變形并且能高靈敏地實(shí)時(shí)傳輸信息，在醫(yī)學(xué)監(jiān)測、診斷和治療領(lǐng)域被廣泛需求和應(yīng)用。

基于過去的研究基礎(chǔ)，研究人員通過精巧的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無線系統(tǒng)優(yōu)化，使得使用者在佩戴無線機(jī)械聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備的過程中幾乎毫無“感覺”；此監(jiān)測設(shè)備具備高靈敏度和響應(yīng)能力等特點(diǎn)，同時(shí)，能將環(huán)境噪聲的干擾降至最低。

“機(jī)械聲學(xué)信號(hào)包括大量的耦合信號(hào)，我們通過時(shí)域、頻域分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，獲取了受試者日?；顒?dòng)和體育鍛煉時(shí)的心率、呼吸頻率、能量強(qiáng)度等基本生命體征的實(shí)時(shí)記錄，并且通過通話時(shí)間和節(jié)奏，獲得吞咽次數(shù)和方式等其他生命體征。”解兆謙說。

此外，研究人員還對睡眠狀態(tài)的受試者進(jìn)行了測試，并通過量化睡眠行為的多導(dǎo)睡眠圖對測量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

“該研究成果為人體實(shí)時(shí)健康檢測提供了一種有效的手段，同時(shí)在監(jiān)控術(shù)恢復(fù)情況、跟蹤社交活動(dòng)狀態(tài)、治療失語和吞咽困難等方面都有著實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。”解兆謙表示。

他同時(shí)指出，盡管設(shè)備目前可以連續(xù)實(shí)時(shí)捕獲人體各種狀態(tài)下的機(jī)械聲學(xué)信號(hào)，但是某些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可能會(huì)對設(shè)備監(jiān)測所關(guān)注的生命體征造成干擾，產(chǎn)生虛假信號(hào)，例如身體活動(dòng)會(huì)影響心臟和呼吸頻率的檢測。如何識(shí)別虛假信號(hào)是當(dāng)前研究面臨的主要問題。

下一步，團(tuán)隊(duì)將嘗試采用多點(diǎn)同時(shí)測量的方式，獲取更多的人體活動(dòng)過程中機(jī)械聲學(xué)信號(hào)，進(jìn)而通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式建立可以準(zhǔn)確判斷機(jī)械聲學(xué)信號(hào)與相應(yīng)的生命信息的關(guān)系，從而開發(fā)和優(yōu)化有效鑒別虛假信號(hào)的方法。