前言：還記得之前流行的“鎖骨放雞蛋”挑戰嗎？鎖骨窩的大小直接影響到挑戰的成敗。就在兩側鎖骨與胸骨的相交處（即下巴平貼胸壁所對應位置），還存在一個“窩”——胸骨上窩（suprasternal notch，以下簡稱胸窩/SN），呼吸時可見其凹陷程度的變化。胸窩是胸廓與頸部之間相關結構的重要交匯處，例如血管、器官、食管以及神經。因此，胸窩蘊含了豐富而重要的人體生理信息。本文中，相關研究人員基于貼于胸窩的柔性電子紋身，實現了對這些生理信息的高效、高質量檢測，并對其進行了分解與解析。
人體的生理與運動過程產生了豐富的機械-聲學（MA）信號，然而許多信號在皮膚-空氣界面處衰減嚴重。從微小振動到全身運動的動作由不同的振幅、頻率組成，因此包含了各種各樣的重要生理健康信息。例如，聲襞振動~100 Hz，心臟搏動~10 Hz，步態與移動~1 Hz，呼吸~0.1 Hz，身體朝向~0Hz。數字聽診器和慣性測量原件是目前臨床使用的工具，能定量捕捉這些頻率的信號，以及其他機械-聲學（MA）信號。對于數字聽診器而言，其獲得的信號頻率通常在20~1900 Hz，且只能間隔抽取信號。
傳統的慣性測量原件雖能連續獲得信號，但由于慣性質量大、與人體耦合性較小，只在0-100 Hz的低頻范圍最為有效。這些類型的傳感器不能同時捕捉機械-聲學（MA）信號中涉及的力學、聲學信息。在此情況下，基于微機電系統的小型化、皮膚可穿戴的加速計和/或陀螺儀則發揮了重要的作用，相關例子包括捕捉心肌力學信號（如心震圖、心沖擊信號），呼吸頻率與聲音，吞咽聲音，嗓音，身體位置與運動狀態的變化，等等。這些測量很多與醫學應用直接相關，特別是監測多種生理信號的裝置。
為了實現上述目的，傳統的可穿戴器件以繩帶、膠布、膠帶的形式與人體耦合，相應地，胸部、腕部則作為測量界面。理論上，人體其他部位也可作為測量界面，但由于相關裝置的堅硬性、平面性，存在大量的實際限制。例如，系于脖子的麥克風能捕捉語音以及喉音的聲學信號，可用于飲食習慣以及呼吸生理學的探測；緊貼脖子皮膚的加速計能記錄一系列身體過程，以監測睡眠模式。問題在于，這類系統在日?；顒又胁⒉荒芘c皮膚形成持續、舒適的界面接觸。相比之下，輕柔、具有皮膚相容性的無線裝置則能穿戴（貼合）于人體的非常規部位，因此可以持續地、大頻率范圍地監測身體過程的力學和聲學特征。潛在的應用包括監測人體一整天的健康狀態和社交互動，量化睡眠行為，測量運動成績，以及指導康復程序。
柔性電子學的最新進展為嵌入微機電式加速計的皮膚兼容性輕型化設備打下了基礎。近日，美國西北大學John A. Rogers院士、黃永剛院士、ZhaoqianXie，以及卡萊神經科學研究所Charles R. Davies等團隊合作，設計了一種包含多種功能元件的裝置，這些功能元件由彈性體密封支撐、曲形導電線路相互連接而成。這種設計通過將傳感元件與支撐的電子學系統分離，使得測量靈敏度最大化。結果顯示，“表皮”MA傳感器對身體的移動、轉動過程高度響應：能捕捉從0 Hz到人耳可聽頻帶頻率的高質量信號，受環境噪音干擾很小。
圖1. 貼附于胸窩的無線MA傳感器。
該工作的突破主要在于以下幾點：
（1）設計了采用小型化可充電池供電，利于構建舒適皮膚界面、高精度高頻帶寬度MA傳感器的無線系統；
（2）將胸窩（SN）作為貼附界面，涉及的生理過程和人體運動過程更多，使得MA信息來源更加豐富；
（3）數據分析技術的發展，在所得多模式混合信號基礎上分解、量化生理過程；
（4）在對日常活動與體育運動進行連續、半連續檢測時，同時實現了設備的非常規力學性能，獨特的穿戴部位，以及先進分析方法；
（5）睡眠實驗室相關結果得到了臨床驗證。
圖2. 貼附于健康受試者胸窩時，在三個正交軸方向上加速計所測得的代表性MA數據。
圖3. 信號處理流程圖和對應的MA數據結果。
圖4. 胸窩（SN）處記錄的MA數據與傳統傳感器測量值的比較。
圖5. 胸窩（SN）處MA傳感用于臨床睡眠研究。
圖6. 胸窩（SN）處MA傳感用于理解睡眠模式。
最后，作者對該工作提出了一些展望：
1. 連續監測還存在的挑戰包括涉及心臟信號和呼吸速率檢測的運動偽影。
2. 半連續監測存在的挑戰涉及偽影消失時的“機會傳感”。
3. 采用多模式MA檢測能更好實現對心肌力學的信號分解以及精確測量。
4. 在復雜動態環境中采用改進的參比測量方法可能使數據分析方法得到發展。
5. 未來的應用重點包括：睡眠監測，術后恢復跟蹤，社交監測，語音監測，理療評估。
參考文獻：
Lee, K., Ni, X., Lee, J.Y. et al. Mechano-acousticsensing of physiological processes and body motions via a soft wireless deviceplaced at the suprasternal notch. Nat Biomed Eng (2019)doi:10.1038/s41551-019-0480-6
https://www.nature.com/articles/s41551-019-0480-6
