導    語

壓電傳感器具有高靈敏度、寬頻率響應范圍和高線性度等優點，非常適合需要動態測量的應用，特別是應用于肌肉或骨骼，以捕獲肌肉收縮或關節彎曲期間產生的運動信號。四川大學田曉寶教授團隊，制備了一種具有高壓電響應的壓電薄膜，并構建了可穿戴下肢運動監測系統，用于肌少癥群體的運動監測與早期篩查。相關成果已發表在《Advanced Materials Technologies》上，論文第一作者為碩士生韓書朗與曾慶昊，四川大學機械工程學院熊艷副教授、華西醫院岳冀蓉教授、四川大學力學系田曉寶教授為共同通訊作者。

1、研究背景

肌肉減少癥的特征是骨骼肌質量、力量和功能的逐漸喪失，是一種普遍的年齡相關綜合征，與其他疾病的發病率和老年人死亡率增加有關。肌肉減少癥的后果不僅僅是身體損傷，還會影響整體健康、獨立性和生活質量。早期篩查肌少癥對于及時干預和改善臨床結果至關重要。然而，評估肌肉質量和功能的傳統方法，如雙能 X 射線吸收測定法 （DXA）、生物電阻抗分析 （BIA）、計算機斷層掃描 （CT） 和握力測量，由于成本高、復雜性高，并且需要專門的設備和專業知識，通常不適用于大規模篩查和長期監測。日常體能活動評估是肌少癥篩查的重要方法，而這種評估方式具有延時性并且需要專業人員進行，無法實時監測自己的健康狀態。而近年來，可穿戴系統已成為一種很有前途的技術，可以通過監測機械刺激、產生電信號和檢測身體運動來滿足對肌少癥人群進行識別與監測這些要求。研究團隊通過制備的鈦酸鋇壓電薄膜構建了一個可穿戴下肢運動監測系統，可以實現下肢運動狀態的監測，并根據機器學習分類模型實現了肌少癥人群的高準確篩查。

圖1：基于壓電傳感器的可穿戴下肢運動檢測系統（圖片來自原文）

2、研究概述

基于功能化導電聚合物的設計，研究團隊設計了功能化聚苯胺基時序黏附水凝膠貼片。它可以實現心臟的同步機械生理監測和電耦合治療，并牢固附著在心臟表面監測心臟的機械運動和電活動

研究團隊提出了一種可穿戴護膝式的下肢運動監測系統。該可穿戴系統結合了柔性壓電傳感器、信號處理電路以及無線傳輸模塊，實現了運動信號從采集到分析的一體化。其中，柔性壓電傳感器由鈦酸鋇、銀電極與聚酰亞胺柔性基底以三明治的結構組成，以保證傳感器在使用過程中能夠保持柔性與舒適性。鈦酸鋇薄膜是采用溶膠-凝膠法和靜電紡絲法制備的一種壓電納米纖維薄膜，其具有較高的平均壓電系數(d33=74.2pC/N)。在傳感器輸出性能表征中，所制造的柔性壓電傳感器表現出出色的線性度，同時在響應微小力時表現出較低的檢測限(0.2mN)。傳感器的輸出在經過一周超過2.1萬次的循環僅降低了8.46%，并且基本不受溫度和濕度影響。

圖2：a) 和 b）傳感器輸出性能；c) 和 d) 微小力作用下的輸出相應（圖片來自原文）  

圖3：a) 和 b）循環穩定性；c) 溫度穩定性；d) 濕度穩定性（圖片來自原文）

為了測試上述的可穿戴下肢運動監測系統的性能，研究人員招募了 56 名參與者，包括 16 名肌肉減少癥患者（包括 10 名女性和 6 名男性）和 40 名非肌肉減少癥患者（包括 26 名女性和 14 名男性）。參與者被要求佩戴該運動監測系統，然后進行坐立測試5次。在測試過程中，要求參與者靜靜地站立5秒鐘，以確定識別系統上傳感器的信號基線，然后盡快進行5次測試。識別系統在測試過程中收集膝關節、肱二頭肌和腓腸肌傳感器產生的運動信號，采樣頻率為500Hz。所采集的數據通過藍牙傳輸到智能手機，在特征提取和選擇后，利用機器學習對采集到的信號進行分類，最終在男性和女性群體中分別取得了92.9%與98.1%的準確率。

圖4：a) 運動時傳感器輸出信號；b) 用于肌少癥篩查的機器學習模型性能（圖片來自原文）

3、研究意義

本研究提出了一種用于下肢肌少癥識別與監測的無線可穿戴系統，利用基于鈦酸鋇薄膜的三個壓電傳感器穿戴到下肢膝關節處。該系統從老年人的下肢運動中收集運動信號，并將其傳輸到電子設備，以便通過藍牙進行實時顯示和分析。這種可穿戴系統由于其優異的性能，有望實現肌少癥群體的實時監測，為肌肉減少癥的早期診斷和預防提供一種新的、方便的、家庭化的篩查解決方案。

參考文獻：

S. Han, Q. Zeng, Y. Liang, Q. Xiao, Y. Chen, F. Yan, Y. Xiong, J. Yue, X. Tian, Wearable Piezoelectric Sensors Based on BaTiO3 Films for Sarcopenia Recognition. Adv. Mater. Technol. 2024, 2302172. 

https://doi.org/10.1002/admt.202302172