学术报告：柔性颏下传感器贴片在口咽吞咽障碍远程监测中的开发与初步验证

一、研究团队与发表信息
本研究由Purdue University生物医学工程系、机械工程学院、电子与计算机工程系以及印度Tezpur University的研究团队共同完成主要作者包括Min Ku Kim、Cagla Kantarcigil、Bongjoong Kim等，通讯作者为Georgia Malandraki和Chi Hwan Lee。研究成果于2019年12月13日发表在《Science Advances》期刊（DOI: 10.1126/sciadv.aay3210）。

二、研究背景与目标
科学领域：本研究属于生物医学工程与康复医学交叉领域，聚焦于吞咽障碍（dysphagia）的远程监测技术开发。

研究动机：全球每年约944万成年人和50万儿童受吞咽障碍困扰，其常见病因包括中风、帕金森病等神经性疾病。传统康复依赖高成本的临床生物反馈设备（如肌电仪、内窥镜），导致患者依从性低（22%-52%），尤其是行动不便或偏远地区患者难以获得治疗。因此，亟需一种便携、低成本且精确的远程监测系统。

研究目标：开发一种柔性颏下传感器贴片，可非侵入性贴合颏下皮肤，同步监测吞咽任务中的肌肉活动（semg信号）和喉部运动（应变波形），并实现远程数据传输。

三、研究流程与方法
1. 传感器贴片设计与制备
- 结构设计：贴片采用开放式蜂窝网络结构（honeycomb networks），以聚酰亚胺（PI）为基底，集成双差分表面肌电（semg）电极（直径5 mm，间距12 mm）和压阻式应变片（检测喉部运动）。
- 封装工艺：通过激光切割和光刻技术制备电极与电路，采用超低模量弹性体（Silbione HC2，E=5 kPa）和Ecoflex（E=60 kPa）双层封装，确保柔韧性与耐用性。
-创新点**：蜂窝结构设计提供氧气渗透性、可拉伸性（最大应变16%）及损伤容限，支持多次使用（5-10次）。

2. 远程控制单元开发
便携单元（56××20 mm）集成蓝牙模块（HC-06）、24位模数转换器（ADS1294）和可充电电池，支持实时数据传输（采样率：semg 1 kHz，应变信号100 Hz）。

3. 实验验证
- 健康受试者测试：23岁女性受试者吞咽5 mL钡液，传感器贴片记录的semg信号与传统无线设备（BioRadio）相关性>0.95，应变波形清晰显示喉部“W”形运动轨迹。
- 临床患者测试：70岁帕金森病伴吞咽障碍患者完成不同稠度食物（液体/布丁）的吞咽任务及康复动作（如用力吞咽、Mendelsohn手法）。结果显示，康复动作可显著提升肌电振幅（>20%）和持续时间（>270%）。

4. 数据分析
数据经脉冲响应带通滤波（semg：20-500 Hz；应变信号：0.1-20 Hz），通过MATLAB自定义代码分析振幅和爆发持续时间。

四、主要研究结果
1. 传感器性能
- 电极-皮肤接触阻抗低于商用电极（图1e），应变片在弯曲半径0.5-4 cm内响应灵敏。
- 蜂窝结构在垂直方向（θ=0°）应变容限最高（~10%），优于水平方向（~4%）（图2b）。

2. 临床验证
- 健康受试者：传感器与商业设备信号一致性高，应变波形与视频透视（VFSS）记录的喉部运动同步（图3）。
- 帕金森病患者：Mendelsohn手法使肌电振幅提升200%，持续时间延长270%（图4）。

3. 成本效益
实验室规模下，单个贴片成本约13.92美元，便携单元52美元，远低于临床设备。

五、研究意义
科学价值：
- 首次将柔性电子技术与吞咽功能监测结合，解决了传统刚性设备与皮肤曲面的兼容性问题。
- 蜂窝结构设计为可穿戴设备在动态生物界面中的应用提供了新范式。

应用价值：
- 支持家庭远程康复，减少患者临床访问次数，尤其惠及偏远地区。
- 为吞咽障碍之外的语言、面部障碍监测提供了技术基础。

六、研究亮点
1. 创新设计：蜂窝网络结构实现高拉伸性、透气性与耐用性的平衡。
2. 多模态监测：采集semg与应变信号，克服了现有设备功能单一的局限。
3. 临床适用性：通过帕金森病患者的真实验证，证实其临床可行性。
4. 低成本：材料与工艺成本低廉，适合大规模推广。

其他价值
- 需求调研（表S1）显示，90%临床医患将“易用性”和“信号准确性”列为优先需求，本研究直接回应了这一痛点。
- 开源数据与协议（Bio-protocol）为后续研究提供了透明度保障。

总结
该研究通过跨学科合作，开发了一种革命性的柔性传感器贴片，为吞咽障碍的远程管理提供了高效、低成本的解决方案，兼具学术创新性与社会应用潜力。