中國(guó)科大微電子學(xué)院提出了一種基于谷拓?fù)涑瑯?gòu)表面的體表傳感器網(wǎng)絡(luò)，首次將拓?fù)湮锢響?yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。相關(guān)研究以“Body sensor networks based on flexible topological clothing”為題，1月5日在線(xiàn)發(fā)表于Nature Electronics。
該研究設(shè)計(jì)并制備了一種基于柔性導(dǎo)電織物的谷拓?fù)涑瑯?gòu)表面，將其集成于日常服裝中，構(gòu)建了可穿戴、可重構(gòu)的體表傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)利用拓?fù)溥吔鐟B(tài)實(shí)現(xiàn)高效、低損耗的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，顯著提升了穿戴式生物傳感器在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的通信質(zhì)量與生理信號(hào)監(jiān)測(cè)能力。
圖1 拓?fù)淇椢飳?shí)物圖以及傳感單位
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)具有不同拓?fù)湎嗟亩S模塊，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)獨(dú)立無(wú)線(xiàn)通道的靈活配置。實(shí)驗(yàn)表明，該拓?fù)浞b在人體表面可實(shí)現(xiàn)超過(guò)30 dB的信號(hào)傳輸增強(qiáng)，且在彎曲、拉伸及人體貼合等復(fù)雜條件下仍保持穩(wěn)定性能。與傳統(tǒng)的輻射式通信網(wǎng)絡(luò)相比，該系統(tǒng)在能量效率、抗干擾性和數(shù)據(jù)安全性方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。
圖2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的高靈敏度生命體征監(jiān)測(cè)。a, 集成三個(gè)加速度計(jì)的拓?fù)淇椢?、傳感單位、?shù)據(jù)中樞以及用于對(duì)比的標(biāo)準(zhǔn)ECG信號(hào)。b, 用于提取純凈心跳和呼吸信號(hào)的兩種算法。c, 靜止?fàn)顟B(tài)下前30秒的原始傳感數(shù)據(jù)（左）以及經(jīng)處理后得到的心跳與呼吸模式（右）
在生理監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)將該拓?fù)浞b與多個(gè)加速度計(jì)、藍(lán)牙模塊集成，結(jié)合自適應(yīng)濾波與人工智能算法，成功在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率、呼吸率等關(guān)鍵生理參數(shù)的高精度監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下信噪比提升超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，心率檢測(cè)準(zhǔn)確率提升約三倍。該研究首次將拓?fù)涔庾咏Y(jié)構(gòu)與可穿戴生物醫(yī)學(xué)傳感深度融合，為下一代智能健康監(jiān)護(hù)提供了新思路，也為拓?fù)湮锢碓谏镝t(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用開(kāi)辟了新路徑。
中國(guó)科大微電子學(xué)院特任教授李志鵬為論文第一作者，湖南師范大學(xué)副教授劉柱為共同一作和通訊作者，通訊作者還包括湖南師范大學(xué)教授景輝以及新加坡國(guó)立大學(xué)Cheng-Wei Qiu教授。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01516-w
（微電子學(xué)院、科研部）
