用于多部位生物力学评估的无线多维振动传感系统

《Materials Today》：Wireless multidimensional vibration sensing system for multisite biomechanical assessment

　　摘要生物力学信号，例如皮肤应变、喉咙振动和肢体运动，编码了健康评估、疾病筛查和人机交互（HMI）的关键信息。尽管现有的单轴或单部位可穿戴设备能够捕捉部分此类信号，但它们提供的时空信息有限，并且缺乏统一的框架来解读跨解剖区域的复杂生物力学活动。在此，本研究报道了一种无线多维振动传感系统（WMVSS），该系统结合了功能差异化的双层弹性体封装、与皮肤接触的梯度厚度层，以及通过蛇形互连连接的隔离传感岛。这种结构改善了皮肤振动向传感单元的传递，同时保持了柔性附着和机械保护。WMVSS进一步将柔性生物力学振动传感器与神经网络分析工作流程相结合，以1 kHz的采样率从多个身体部位的两个同步传感器采集并分析空间相关的多维振动信号。在喉咙、口面部和肢体应用中，双传感器输入始终优于单轴和单传感器配置。WMVSS在喉咙振动事件分类中实现了97.8%的准确率，在无声发音识别中达到了97.92%的词级准确率，支持实时HMI。在小儿偏瘫痉挛评估中，该系统识别出上肢和下肢任务期间的不同振动模式，并且在不同负重条件下的迁移学习在独立数据集上实现了超过94%的分类准确率。这些结果确立了神经辅助的WMVSS作为一种多用途平台，用于保存、解析和解码皮肤传导的生物力学振动，推进可穿戴交互和探索性康复评估。引言生物力学信号源于肌肉收缩、关节活动和协调的组织变形，是中枢神经控制策略的外周物理表现[1]，[2]。这些信号编码了关于组织黏弹性、运动单位募集和运动协同的关键信息，这些信息支撑着健康监测[3]、疾病诊断[4]和康复评估[5]，[6]。例如，喉咙振动为吞咽困难[7]和吸入性肺炎的动态评估提供了一个窗口，而肌振动图（MMG）信号[8]，[9]及相关肢体组织[10]则揭示了偏瘫痉挛和杜氏肌营养不良症等疾病中神经肌肉接头的功能状态[11]。类似地，关节振动为人机交互[12]，[13]（HMI）提供了精确的运动学数据，用于失语症患者的训练和老年人运动功能的评估。同时，心肺音[14]能够非侵入性地表征器官生理状态。然而，这些信号在不同解剖部位表现出显著的时空变异，反映了部位特异性的生物力学模式。核心挑战在于建立一个统一的运动学解码框架，能够从不同区域的信号中提取生理学见解，超越传统的部位特异性评估技术。尽管这些生物力学信号具有深远的意义，但当前的传感技术面临三个关键限制。首先，表面振动本质上具有多维空间属性。传统传感器（加速度计[15]、应变计和压电装置[16]）通常沿受限的轴和方向捕获信号[17]，从而丢失了检测细微运动异常所需的矢量信息。其次，独立传感器无法捕获分布式运动系统之间的时空耦合。复杂活动，如无声发音[18]，通过协同运动链产生连续信号——其中唇部运动驱动颞下颌关节（TMJ）旋转[19]。现有的孤立测量忽略了这种区域间耦合，而这对识别协调缺陷至关重要。第三，该领域缺乏标准化的计算框架[16]，用于提取和比较不同解剖部位的相似特征[20]。生物力学信号的多样性推动了专门传感器设计的发展[15]，[17]，[21]，包括用于喉咙监测的刚性惯性测量单元[22]，[23]、用于肌肉评估的柔性贴片[24]，以及用于关节的专用换能器[25]。然而，这些系统通常针对特定解剖部位或个别任务进行优化，例如咳嗽、吞咽或局部肌肉活动，因此在不同身体区域之间比较生物力学特征的能力有限。最近先进的智能柔性传感器技术[26]利用弹性体和蛇形互连来增强共形皮肤附着和耐久性[27]，并实现高质量信号采集。然而，许多技术仍集中于设备演示或单信号监测，而不是一个集成多部位传感、无线网络和自适应数据分析的闭环框架。特别是，单部位测量可能仅捕获局部下游信号表现，而遗漏了耦合解剖区域之间生物力学响应的协调传播。这种碎片化严重限制了智能生物力学评估的可扩展性，阻碍了能够无缝连接临床和动态环境的标准化分析框架的建立。为了解决这些挑战，本研究开发了一种无线多维振动传感系统（WMVSS），以通过通用处理流程研究不同解剖部位之间的共享生物力学特征。重要的是，生物力学振动可能包含快速瞬态和数百赫兹范围内的频率成分，例如与发声相关的关节和皮肤振动可达到250 Hz及以上[28]，[29]。因此，该系统由两个柔性传感器组成，每个传感器将高带宽惯性测量单元（1000 Hz，三个正交轴）集成在生物相容性硅胶中，优化用于在不同解剖几何形状上的共形附着。通过蛇形互连对传感元件进行空间隔离，确保测得的振动反映局部事件而非机械串扰，这对于分析多部位协调至关重要。蓝牙低功耗（BLE）框架实现了同步双传感器采集，同时保持适合动态监测的无线操作。在硬件之外，开发了一个标准化的神经网络处理流程，在所有解剖部位（包括喉咙、口面部区域、上肢和下肢）采用一致的特征提取和网络模型，从而实现喉咙事件分类、无声发音交互和偏瘫痉挛儿童组织力学评估的跨区域验证。这项工作突出了WMVSS在多样化生物力学信号通用监测方面的潜力，在健康分析、康复监测、神经肌肉疾病的机制表型分析和智能康复方面具有广阔前景，最终推进公平和个性化的医疗保健。章节片段无线多维振动传感系统（WMVSS）概述图1A展示了WMVSS架构的示意图及其多部位生物力学振动评估模式，其中包含两个高精度多维生物力学振动（MBV）传感器，每个传感器能够以1000 Hz从关键解剖位置捕获三维振动数据。两个MBV传感器共同生成六维振动数据，用于相邻解剖部位的局部多维评估或分布式监测。讨论本研究提出了一种支持BLE的WMVSS，能够对来自两个不同部位的六维生物力学振动数据进行离散监测。结合高度自适应和便携的基于神经网络的数据处理流程，WMVSS促进了人体生物力学的跨解剖区域评估。在三个代表性场景中的验证，包括喉咙振动事件分类、基于关节振动的无声发音识别，以及组织力学……柔性振动传感器的制造传感器的核心部件主要包括惯性测量单元（IMU；ICM42688，TDK InvenSense）、集成电源管理电路（TLV70028DSER，Texas Instruments）和集成触摸控制开关电路（VKD233，Vinka）。传感器电路使用Altium Designer软件设计，并由深圳捷联科技有限公司制造为柔性印刷电路板（fPCB）。传感器节点由外部30 mAh微型锂电池供电……CRediT作者贡献声明Benkun Bao：写作——审阅与编辑，写作——原稿准备，可视化，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Yuanyuan Wei：写作——审阅与编辑，方法学，调查，正式分析。Syeda Aimen Abbasi：写作——审阅与编辑，验证。Shenghan Yu：软件，调查。Weidong Cui：软件，调查。Chenghong Lu：调查。Senhao Zhang：软件，正式分析。Ye Wei：写作——审阅与编辑，利益冲突声明作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。致谢作者感谢江苏省卓越博士后计划（项目编号：2025CS019）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3604804）、美国国立卫生研究院（NIH）（项目编号：R21EB030140）、美国国家科学基金会（NSF）（项目编号：2309323和2319139）以及香港研究资助局（RGC）（项目编号：GRF14213125、GRF14201824）的支持。Benkun Bao感谢Yuze Zhang在模拟期间提供的宝贵建议和帮助。Benkun Bao|Yuanyuan Wei|Syeda Aimen Abbasi|Shenghan Yu|Weidong Cui|Chenghong Lu|Senhao Zhang|Ye Wei|Ruowei Tang|Ning Zhang|Hongbo Yang|Hewei Zhang|Wu Yuan|Xiankai Cheng|Huanyu Cheng