中科院重庆研究院《AFM》：受中医把脉启发，高分辨率碳基触觉传感器阵列，用于用于动态脉冲成像的

成果简介

近年来，柔性可穿戴技术发展迅速，在医疗保健领域得到了广泛的应用。人机交互，机器人触觉，军事和工业领域。在广泛的临床治疗中，脉搏波信号一直被证明是重要的医学参考指标，可以有效地了解身体的健康状况。屈肌动脉的波动与整个心脏的血液反射密切相关，可以提供丰富的信息，包括心脏健康、血压平衡、血管老化、器官健康和睡眠质量。随着现代医学的进步，对更全面的脉搏波信号（包括周期、脉宽、脉搏率和脉冲形状）的需求变得越来越重要。为此，脉冲波的三维动态重建被认为是一种合适的解决方案。触觉 3D 脉冲动态重建可以集成到医疗机器人中，与计算机视觉等技术相结合，实现全方位的医疗诊断。

对于人体来说，指尖上的触觉感受器总数超过2000个，远远超过任何其他部位。在中医把脉诊断中，从业者通过这些指尖感受器巧妙地捕捉患者的脉搏信号，并根据患者的脉搏形状、速度、节奏、强度等具体信息判断患者的身体状态。整个过程如图1a所示。因此，为了重建3D脉冲波，制备受中医把脉启发的高分辨率仿生触觉传感器阵列通常是一种有效的方法。值得注意的是，高分辨率包括高空间分辨率、时间分辨率和力分辨率。首先，为了收集脉冲波的空间分布特征，触觉传感器阵列应具有与人类指尖感受器相当的密度。然而，大量电信号串扰的引入对图像保真度提出了挑战。其次，脉搏的跳动频率很高（成人的脉搏频率为 60-100 次/分，儿童为 90 次/分，老年人为 55-60 次/分），因此需要超高的时间分辨率来捕捉整个周期信号的细节。此外，单次脉搏跳动的力量约为 30-130 mgF，而医生在测量脉搏时手部施加的压力通常为 100-200g。

图1、脉冲波信号采集过程。a） 用于脉搏诊断的医生触觉传感。b） 用于脉冲诊断的机器人触觉传感。

随着现代医学的发展，连续可靠的脉搏波监测在生理评估和疾病诊断中的重要性显著提高。其中，脉冲波的三维重建是必不可少的，需要依靠超高分辨率的传感器阵列，即高空间分辨率、时间分辨率、力分辨率。本文，中国科学院重庆绿色智能技术研究院魏大鹏 研究员团队在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“High-Resolution Carbon-Based Tactile Sensor Array for Dynamic Pulse Imaging”的论文，研究开发了一种基于压敏隧道机制的32×32柔性高密度触觉传感器阵列。通过掩模辅助等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法，在微金字塔结构的硅衬底上沉积了共形石墨烯纳米墙（GNWs）图案阵列，并将其用作压力敏感电极，从而实现了 64 点/cm2 的空间分辨率、高灵敏度（222.36 kPa-1）和短响应时间（2 ms）。更重要的是，HfO2隧穿层能有效抑制噪声电流，使其感应到力分辨率为1/1000、信噪比为36.32 dB的弱压信号。通过利用其高分辨率阵列，可以获取更全面的脉冲信号，并成功复制脉冲波的 3D 形状。这项工作表明，高分辨率传感器在远程智能诊断中的应用前景广阔。

图文导读

图1、传感器的结构、传感机理及制备工艺

图3、传感器的压力传感性能

图4、传感器的分辨率性能

图5、a） 脉冲波的采集过程。b）脉冲波的时空分布图。x轴表示时间，y轴表示距腕面桡动脉中心的距离，z轴表示脉搏强度。c） 比较 30 分钟前后五个随机特征点的脉搏信号。d） 来自三名志愿者的脉冲波形。e） 志愿者 I 在运动前后的脉搏信号。f） 用手指改变压力时 CUN、GUAN 和 CHI 穴位的脉搏信号。g） 通过脉搏波 P1 峰值的时间差计算血流速率。

图6、脉搏波的3D重建，用机械灵巧的手模拟实际诊断

小结

综上所述，我们开发了一种基于压敏隧道机制的柔性高分辨率触觉传感器阵列，可应用于脉冲波远程智能诊断。得益于微金字塔结构和 HfO2 隧道层的协同效应，该传感器具有高灵敏度（0-10 kPa，222.36 kPa-1）、宽量程（0-1 MPa）、高空间分辨率（64/cm2）和时间分辨率（响应时间 = 2 ms，弛豫时间 = 5.9 ms）。更重要的是，由于 HfO2 层的噪声抑制作用，高信噪比使该传感器具有很高的力分辨率（1/1000），完全满足微弱信号检测的需要。基于脉冲采集系统，我们重建了压力空间分布的三维动态脉冲图像。我们探索了脉搏波强度与血流量之间的关系。此外，我们还研究了一些实际脉搏波诊断场景，包括不同穴位（存、关、池）和不同压力下的脉搏诊断（傅、钟、陈），并证明了高分辨率传感器的可用性。这项研究为脉搏波诊断提供了一种可视化方法，具有巨大的应用潜力。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202406022