基于MEMS加速度计的可穿戴贴片用于呼吸监测

逍遥设计自动化

引言
6 C7 G8 U  V6 D" v4 b呼吸类疾病，例如哮喘和慢性阻塞性肺疾病（COPD），在全球范围内影响着数亿人。这些疾病的早期诊断与持续监测对治疗和管理至关重要。然而，传统的听诊方法对环境噪声敏感，且需依赖医生的技能，无法实现连续监测。为了解决这些问题，研究人员开发了一种基于加速度计的可穿戴贴片，能够通过深度学习算法高效检测呼吸频率和哮鸣音。本文介绍该技术的研发背景、工作原理及其应用前景[1]。
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基于加速度计的贴片技术概述
这种可穿戴贴片利用高灵敏度微机电系统（MEMS）加速度计，与低噪声互补金属氧化物半导体（CMOS）技术结合，可以直接从胸壁检测肺部引起的振动信号（PIV），捕捉呼吸阶段的低频胸壁运动及高频肺部声音。
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6 [9 \6 d) d5 y, o3 Q, C* ~0 z技术组成：
MEMS传感器：具备微g级分辨率的宽带加速度计（图1a）。
CMOS ASIC接口：将模拟信号转换为24位数字信号（图1b）。
噪声优化：实现6.7 μg/√Hz的优化性能（图1c）。

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图1. MEMS传感器与贴片系统：（a）宽带加速度计；（b）紧凑型贴片；（c）噪声性能优化示意图。
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数据采集与处理方法
, M3 {# i) f: G4 R1 L% L患者测试协议
研究从52名患者中采集数据，包括医院和门诊环境。贴片通过医用胶带固定在患者胸部的九个标准听诊点（图4）。患者需在每个位置进行30秒深呼吸，以全面捕捉呼吸声。

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图2. 加速度计贴片放置在九个标准听诊位置的示意图。
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信号处理技术
; w2 I  R5 |$ ?; U& @0 }滤波：采用60 Hz到2000 Hz的带通滤波去除心音和运动伪影。
去噪：利用离散小波变换增强信号。
8 }" s& G# s- W. B1 j8 H4 h: I/ a分段处理：将数据分割为5秒间隔，便于分析。
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4 |2 x5 I, }. v/ y- {3 ?  c可视化：梅尔频谱图
9 P" R! |! K' h! G( J通过快速傅里叶变换（FFT）生成梅尔频谱图，显示声音频率随时间的变化。这种可视化方式有效用于检测哮鸣音。
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图3. 数据处理流程：（a）带通滤波；（b）梅尔频谱图可视化。
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哮鸣音检测：确定性和深度学习方法
6 ~6 ^' G& f  f4 ^确定性时频分析
  u, t. X3 U! e6 o8 i- v此方法通过识别频谱中持续一致的频率带检测哮鸣音，具体标准包括：
频率在±50 Hz范围内持续超过100 ms；
振幅达到哮鸣音的特定阈值。
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深度学习方法
& I) m* {9 s- h1 P' i研究构建了基于卷积神经网络（CNN）的模型，利用标注好的频谱数据进行训练。相比确定性方法，深度学习的检测精度显著提高，性能指标如下：
准确率：94.52%
! z$ e6 [9 t/ ?灵敏度：93.45%
0 B8 H2 [: p3 ]% U5 d. e5 h% N特异性：96.16%
8 L9 h& {( {# r' O$ P- {; UROC曲线下面积：0.9864
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. G# v! o# E+ g! F图4. ROC曲线比较：（a）加速度计贴片数据；（b）数字听诊器数据。
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中国记者节
Journalist's Day
结果与分析
7 W* M2 B  R7 S5 a$ E2 J8 U6 D噪声环境中的优越表现
# N& j! P- b) I7 W9 ]) `2 ]" q; [在医院等高噪声环境中，贴片能够有效过滤外部干扰，相比数字听诊器表现更为稳定。

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  S- e) {' X5 o9 y1 v! f图5. 噪声比较：（a）加速度计贴片的梅尔频谱图；（b）数字听诊器频谱图中出现噪声伪影。

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患者案例分析
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肥胖患者的呼吸音检测：贴片在高BMI（>30）的患者中依然能清晰捕获哮鸣音，克服了因脂肪导致的声传递衰减问题。

微弱哮鸣音的检测：即使患者哮鸣音较弱，贴片仍能检测到，适用于术后或出院患者的监测。

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( {# e# F' @0 h: [5 U图6. 临床案例：（a）哮喘-COPD重叠患者的哮鸣音与爆裂音；（b）肥胖患者的哮鸣音；（c）术后患者的微弱哮鸣音。

. {; f6 Q: G; g+ `, T6
6 ^0 M1 A4 W. l8 H0 H2 R技术意义与未来发展方向
+ G! D3 e2 d3 }- ~基于加速度计贴片的优势
( [5 N( ~7 M& q8 b2 b' p2 l" ?+ G: f: l连续监测：适用于远程医疗和长期监测。
& V+ l  a# z/ U+ |4 ^7 M' b7 a非侵入性：提供舒适的检测体验。
成本低廉：具备大规模应用的可能性。

& K( t! {; |; c# c. o4 c未来改进方向
增加对其他肺音（如爆裂音和咳嗽）的检测功能。
- ^4 n" S) s1 Q6 t拓展至儿童和老年人群的呼吸监测。
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结论
: K* z  m" Y& p8 j( O基于加速度计的可穿戴贴片显著提升了呼吸监测的效率与可靠性。结合深度学习技术，该贴片能够在不同患者群体和复杂环境中精准检测哮鸣音。其小型化和高性能特点，为远程医疗和患者管理提供了强有力的支持。未来可以通过采集更多样化的肺音数据，进一步完善深度学习模型，使其能够识别多种异常肺音，为哮喘和COPD患者提供更全面的诊断依据。

参考文献
. s4 g1 F" P  Y& U[1] B. Sang, H. Wen, G. Junek, W. Neveu, L. Di Francesco, and F. Ayazi, "An accelerometer-based wearable patch for robust respiratory rate and wheeze detection using deep learning," Biosensors, vol. 14, no. 3, p. 118, Feb. 2024. doi: 10.3390/bios14030118.
END
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# c7 C3 c# q, b- b; {( x深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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