《Sensors and Actuators A: Physical》：Sensitivity-enhanced multi-coil knitted electromagnetic inductance plethysmography for global and regional infant breathing sensing
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在医院环境中，对婴儿呼吸的持续监测对于早期发现潜在危及生命的疾病至关重要，包括呼吸暂停、呼吸窘迫、气道阻塞以及与部分或完全肺塌陷相关的不对称肺通气[1,2]。然而，对于关注早期呼吸恶化的应用而言，呼吸量、呼吸暂停和区域失衡的额外信息将补充呼吸频率监测的不足。
在医院环境中，对婴儿呼吸的持续监测对于早期发现潜在危及生命的疾病至关重要，包括呼吸暂停、呼吸窘迫、气道阻塞以及与部分或完全肺塌陷相关的不对称肺通气[1,2]。然而，对于关注早期呼吸恶化的应用而言，呼吸量、呼吸暂停和区域失衡的额外信息将补充呼吸频率监测的不足。
传统的婴儿呼吸监测方法，包括阻抗呼吸描记法和气流传感，能够提供可靠的测量，但通常需要电极、插管、面罩或直接皮肤接触，这可能限制活动、干扰睡眠并限制长期使用[3,4]。这些局限性推动了柔软、可穿戴且可能实现纺织品集成的呼吸传感器的发展，包括电阻式、电容式[5]、压电式[6]、摩擦电式[7]、光纤式[8]、惯性式[9]以及基于电感的系统[10,11]。这些呼吸传感器中的多数主要报告全局呼吸频率或变形幅度，而空间分辨的区域感知则较少被展示。
电磁感应体积描记（EIP）是一种独特但仍相对未被充分探索的可穿戴呼吸传感方法[12]。它在无直接电极-皮肤接触的情况下工作，可穿着于贴身内衣之上。在EIP中，发射器（Tx）线圈中的正弦电流产生时变磁场，通过互感电磁耦合在附近接收器（Rx）线圈中感应出电动势（EMF）[13]。呼吸引起的胸腔扩张和收缩改变线圈几何形状和耦合，从而调制感应EMF的幅度。在传统实现中，外部Tx置于婴儿上方，而围绕胸部和腹部的两个弹性单匝Rx线圈测量区域胸部运动。然而，外部Tx线圈限制了其完全集成到可穿戴服装中的可能性。
研究人员引入了一种全针织EIP实现，以提高可穿戴性、灵敏度和紧凑性[14]。与外部Tx配置不同，Tx和Rx均作为多匝针织线圈集成到服装中。在本实现中，细的绝缘Ag/Cu利兹线[15]与普通纱线一起圆织，形成柔软、可拉伸且适形的Tx和Rx线圈。这些具有多绕组的针织弹性线圈已被探索用于呼吸感应体积描记（RIP）[10,16,17]和无线功率传输[18]。
研究人员先前的针织EIP研究[14]确立了使用非重叠1Tx1Rx架构和针织平针组织Tx与Rx线圈的服装集成EIP的可行性。该研究确定了Tx-Rx电感-电容（L-C）耦合区域为更高灵敏度的工作区域，并开发了Rx侧包络读出和生理学引导的自动校准，用于全局呼吸频率和体积估计。然而，该系统仅限于单Rx全局感知，未研究多Tx或重叠架构，也未研究空间分辨的区域呼吸感知。由于本研究代表临床前技术开发，验证使用低保真度婴儿模型[19]进行，通过可编程气泵[20]驱动合成皮肤下方的气囊产生受控的呼吸变形模式。
在此基础上，本研究在四个主要方向推进了针织EIP。首先，研究了多Tx激励和Tx-Rx重叠以实现灵敏度增强。其次，引入了水平和垂直2Tx2Rx服装，用于上下和左右区域变形感知。第三，评估了对生物负载、温度变化、通道间串扰和施加运动的鲁棒性，并使用Tx侧多路复用和基于惯性测量单元（IMU）的自适应噪声消除（ANC）进行缓解。最后，使用高斯混合模型（GMM）对模拟的区域变形模式进行分类。实验因此提供了受控的基于模型的原理验证。
论文解读
一、研究背景与问题
在医院环境中，持续监测婴儿呼吸对于早期发现呼吸暂停、呼吸窘迫、气道阻塞以及与肺塌陷相关的不对称肺通气等潜在危及生命的状况至关重要。对于关注早期呼吸恶化的应用，呼吸量、呼吸暂停和区域失衡信息能够补充单纯呼吸频率监测的不足。然而，传统的婴儿呼吸监测方法，如阻抗呼吸描记法和气流传感，通常需要电极、插管、面罩或直接皮肤接触，这会限制婴儿活动、干扰睡眠并限制长期使用。这些局限性推动了柔软、可穿戴且可能实现纺织品集成的呼吸传感器研究，包括电阻式、电容式、压电式、摩擦电式、光纤式、惯性式和基于电感的系统。但这些传感器大多主要报告全局呼吸频率或变形幅度，空间分辨的区域感知较少被实现。
电磁感应体积描记（EIP）是一种独特但尚未充分探索的可穿戴呼吸传感方法，其无需直接电极-皮肤接触，可穿着于贴身衣物之上。在EIP中，发射器（Tx）线圈中的正弦电流产生时变磁场，通过互感耦合在接收器（Rx）线圈中感应电动势（EMF）。呼吸引起的胸腔扩张和收缩改变线圈几何形状和耦合，从而调制感应EMF的幅度。传统实现中外部Tx线圈限制了完全可穿戴服装的集成。研究人员此前提出的全针织EIP实现虽确立了可行性，但仅限于单Rx全局感知，未研究多Tx或重叠架构，也未实现空间分辨的区域呼吸感知。
二、研究内容与意义
本研究开发并实验评估了一种全针织多线圈EIP平台，用于受控的全局和区域呼吸胸腔变形感知。研究通过多Tx激励和Tx-Rx重叠提升了全局灵敏度，其中重叠2Tx1Rx拓扑达到平均灵敏度11.9 ADC计数/cm3，可检测低至10 cm3的泵驱动体积变化。水平和垂直2Tx2Rx服装分别实现了上下和左右区域感知。Tx侧多路复用将平均串扰从0.48降至0.12，基于IMU的自适应噪声消除在1 Hz摇摆运动下将区域分类准确率恢复至93.9%。成人手臂负载使线圈自谐振频率偏移小于2%，且不改变3.5 MHz下的电感-电容工作状态。这些结果构成了受控的基于模型的原理验证，而非临床婴儿验证。研究确立了针织多线圈EIP作为受控全局和区域呼吸变形感知的有前景平台，并为平衡灵敏度、线性度、空间选择性和鲁棒性提供了实用设计指导。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：第一，基于Ansys的电磁仿真分析，用于比较不同Tx-Rx线圈拓扑的磁通密度和通量灵敏度；第二，全针织线圈制造技术，将绝缘Ag/Cu利兹线与棉纱和弹性纱线圆织，形成1/1罗纹Tx线圈和平针Rx线圈；第三，Tx侧多路复用技术，通过ADG919射频开关交替激励两个Tx线圈以降低通道间串扰；第四，基于BNO055惯性测量单元（IMU）的归一化最小均方（NLMS）自适应噪声消除算法，用于抑制运动伪影；第五，高斯混合模型（GMM）分类器，结合期望最大化（EM）算法，用于不对称呼吸模式分类。验证采用低保真度婴儿模型，通过可编程气泵驱动气囊产生受控呼吸变形。
四、研究结果
4.1 全局呼吸感知拓扑的动态性能验证
研究人员在婴儿模型上组装了四种单Rx全局呼吸感知拓扑，通过可编程气泵驱动气囊产生可重复的胸腔扩张和收缩。使用六项指标评估动态性能：动态灵敏度、线性度、可重复性、呼吸频率精度、呼吸量精度和最小可检测体积。结果表明，非重叠1Tx1Rx基线拓扑灵敏度最低（4.7 ADC计数/cm3），检测限为20 cm3；Tx-Rx重叠将灵敏度提升至6.6 ADC计数/cm3，检测限降至15 cm3；增加第二个Tx后，非重叠2Tx1Rx拓扑达到8.5 ADC计数/cm3，具有最高线性度（R2=0.996）和可重复性（1/CV=16）；重叠2Tx1Rx拓扑达到最高灵敏度11.9 ADC计数/cm3，检测限为10 cm3，呼吸频率和体积平均绝对误差（MAE）分别为0.41 BPM和1.26 cm3。
4.2 人体组织负载和温度变化下的电学表征
研究人员使用双端口NanoVNA对水平和垂直2Tx2Rx服装中的Tx和Rx线圈进行频率相关电学参数表征。结果表明，30匝垂直Rx在500 kHz下比10匝Tx具有更高的串联电阻和自感，其较大的自感导致较低的自谐振频率1.85 MHz，而Tx为8.64 MHz。在3.5 MHz工作点，由于趋肤效应和邻近效应损耗，串联电阻增加，而寄生电容部分抵消了电感贡献。成人手臂负载引起的阻抗参数变化较小，自谐振频率偏移小于2%，不改变3.5 MHz下的电感-电容工作状态。35至40°C温度变化引起两通道峰峰值幅度变化不超过6.2%的共模变化，在后续计算优势比时被基本消除。
4.3 Tx侧多路复用降低通道间串扰
由于两个Tx-Rx线圈对间距较近，引入了通道间电磁串扰。研究人员采用Tx侧多路复用策略，通过ADG919射频开关交替驱动Tx1和Tx2，25 ms开启和25 ms关闭，对应20 Hz开关频率。两个Rx读出PCB通过触发数据包与多路复用状态同步，仅在对应Tx开启窗口保留ADC样本。以垂直2Tx2Rx服装为例，Tx侧多路复用将平均串扰从0.48降至0.12，GMM分类准确率从90.6%提升至96.2%。Rx侧多路复用效果较差，因为读出侧额外电阻和寄生电容降低了线圈品质因数。
4.4 基于GMM的不对称呼吸分类
研究人员使用三组分GMM对变换后的优势比进行建模，区分平衡呼吸、模拟右侧功能障碍和模拟左侧功能障碍三种状态。GMM参数通过期望最大化算法从训练数据中估计，自适应决策边界从相邻组分中心的中间点更新。在Tx侧多路复用降低残余串扰后，GMM分类准确率超过95%，混淆矩阵显示三类之间清晰分离。
4.5 基于IMU的自适应运动消除
研究人员在10 Hz振动台和1 Hz摇摆平台上评估了运动伪影的影响。运动显著降低了未校正系统的性能：1 Hz摇摆下GMM准确率降至83.3%，呼吸暂停准确率降至81.3%，左右通道信噪比降至8.67/9.04 dB。启用基于IMU的自适应噪声消除后，这些指标恢复至93.9%、94.5%和14.43/14.16 dB。在10 Hz振动下，呼吸频率和体积MAE分别降至0.71 BPM和1.75 cm3。系统还包含模拟呼吸暂停检测和基于Hampel的尖峰抑制器，用于处理不规则呼吸事件。
五、架构级比较与讨论
架构比较揭示了三个主要设计权衡。第一，Tx-Rx重叠提高变形灵敏度但可能降低线性度。第二，增加第二个Tx改善场覆盖和信号响应，而增加第二个Rx实现区域感知但引入通道间耦合。第三，Tx多路复用和IMU自适应噪声消除提高区域鲁棒性但增加硬件和处理复杂度。没有单一拓扑对所有感知目标最优。对于全局呼吸感知，重叠2Tx1Rx拓扑提供最高灵敏度和10 cm3检测限，而非重叠2Tx1Rx拓扑提供最高线性度和可重复性，凸显了EIP灵敏度与校准鲁棒性之间的权衡。对于区域感知，垂直和水平2Tx2Rx架构分别提供互补的左右和上下测量。经Tx侧多路复用和IMU自适应噪声消除后，垂直拓扑在运动下达到3.4 ADC计数/cm3灵敏度和93.9%左右GMM准确率，其前开式设计简化穿戴；水平拓扑具有更高区域灵敏度4.2 ADC计数/cm3，在MUX和ANC后达到92.9%胸腹GMM准确率和96.4%呼吸暂停准确率。
六、结论
本研究开发并实验评估了一种全针织多线圈EIP平台，用于受控的全局和区域呼吸胸腔变形感知。多Tx激励和Tx-Rx重叠提高了全局灵敏度，重叠2Tx1Rx拓扑达到平均灵敏度11.9 ADC计数/cm3，可检测低至10 cm3的泵驱动体积变化。水平和垂直2Tx2Rx服装分别实现上下和左右区域感知。Tx侧多路复用将平均串扰从0.48降至0.12，基于IMU的自适应噪声消除在1 Hz摇摆下将区域分类准确率恢复至93.9%。成人手臂负载使自谐振频率偏移小于2%而不改变3.5 MHz下的电感-电容工作状态，35-40°C温度变化引起的共模效应在区域感知中基本被消除。这些结果构成受控的基于模型的原理验证而非临床婴儿验证。未来工作应研究中间程度呼吸不对称、服装间变异性、湿度和环境电容耦合、长期稳定性、电子器件小型化以及经伦理批准的婴儿记录。总体而言，该研究确立了针织多线圈EIP作为受控全局和区域呼吸变形感知的有前景平台，并为平衡灵敏度、线性度、空间选择性和鲁棒性提供了实用设计指导。
