《電子技術(shù)應(yīng)用》
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【突破】香港大學(xué)研發(fā)新型可穿戴心電圖傳感器和有機記憶電化學(xué)晶體管

2021-07-30
來源:互聯(lián)網(wǎng)
關(guān)鍵詞: 人機界面 晶體管 ECG傳感器

  據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示:全世界每年死于心腦血管疾病的人數(shù)高達1500萬人,,居各種死因首位,。心腦血管疾病已成為人類死亡病因最高的頭號殺手,,也是人們健康的“無聲兇煞”,!

  心血管疾病,,如冠心病的癥狀(包括心絞痛,、心肌梗塞)的癥狀為:胸悶,、心悸不寧,、心慌氣短,;心率不齊;胸痛,、胸骨后或心前區(qū)疼痛,;氣緊、暈厥、虛弱,、噯氣等,。

  在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的運用中,心電圖變得越來越重要,。它具有診斷可靠,,方法簡便,對患者進行實時心電監(jiān)測,,及時發(fā)現(xiàn)心電變化異常,、有防治心血管疾病的重要作用。但是市面上普通的常規(guī)心電圖,,缺有很多弊端,。

  心房顫動是最常見的心律失常,與較高的中風(fēng)或心臟衰竭風(fēng)險相關(guān)聯(lián),。然而,,顯示心房顫動的f波訊號,震幅非常微弱,,傳統(tǒng)的便攜式心電圖傳感器極難探測得到,。

  香港大學(xué)機械工程系副教授陳國梁博士領(lǐng)導(dǎo)的團隊,研發(fā)出一種穿戴方便的心電圖(ECG)傳感器,,可偵測心房顫動的電生理訊號,,作日常應(yīng)用。

  陳博士的團隊又模仿人腦記憶功能,,成功把訊息儲存入有機晶體管,,為機器學(xué)習(xí)仿真人腦功能,奠定關(guān)鍵性的基礎(chǔ),。

  上述兩項重要的科研成果,,已分別在國際期刊《自然-通訊》發(fā)表。

  其中題為「亞熱離子,、超高增益有機晶體管和電路」的新型心電圖傳感器,,偵測心房顫動,與南京大學(xué)合作開發(fā),。這款新型傳感器的訊號放大功能出色,,可把輸入訊號放大(增益)超過10,000倍,能檢測得到震幅非常微弱,,顯示心房顫動,,即頻率為每分鐘357次(BPM)的f波。

  初步試驗顯示,,該傳感器能成功探測心房顫動病人的不正常電生理訊號,,傳統(tǒng)電極則未能做到。

  該團隊在陳博士早前研發(fā)的單層有機場效晶體管(Organic field-effect transistor, OFET)的基礎(chǔ)上,把柔性,、超薄的半導(dǎo)體裝嵌到柔性的基板(物料:聚酰亞胺)上,,開發(fā)出新型心電圖傳感器。而OFET中的超低亞閾值擺幅(SS),,正是今次心電圖傳感器具有高訊號檢測能力的關(guān)鍵,。

  陳博士說:「亞閾值擺幅是晶體管或逆變器操作中的一個重要參數(shù),提示需要多少電壓變化才能將設(shè)備從『關(guān)斷』狀態(tài)變?yōu)椤簩?dǎo)通』狀態(tài),。我們的裝置能提供創(chuàng)紀錄的低亞閾值擺動,,確保在耗能極低(低運行功耗)的情況下維持高靈敏度?!?/p>

  這款新型心電圖傳感器具備柔性可折疊的特質(zhì),,輕盈如一片保鮮膜或貼身膠片,只需一個小型鈕扣電池供電,,應(yīng)用攜帶方便,。

  「佩戴該傳感器的人可以享受行動上的自由,跑來跑去,,甚至可以隨心所欲地去淋浴,,不需要連接任何儀器操作。今次也是我們研發(fā)的新結(jié)構(gòu)OFET在應(yīng)用上的重要突破,?!龟惒┦空f。

  陳博士研發(fā)的單層OFET創(chuàng)新技術(shù),,采用有機物作為半導(dǎo)體,,具備柔性的特質(zhì)優(yōu)勢。研究結(jié)果早于《先進材料》發(fā)表,,已申請美國專利,。

  陳博士團隊在《自然-通訊》發(fā)表的另一項研究,,題為「使用離子捕獲記憶突觸有機電化學(xué)晶體管模仿聯(lián)想學(xué)習(xí)行為」,。

  研究團隊成功仿照人腦運作,將「記憶」,,即收集到的訊號和訊息,,植入到有機晶體管中,為實現(xiàn)像人腦一樣能執(zhí)行訊號識別和學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),,奠定關(guān)鍵性的基礎(chǔ),。

  團隊與美國伊利諾伊州的西北大學(xué)聯(lián)合進行的實驗,將「離子保持劑」聚四氫呋喃(PTHF)添加到導(dǎo)電有機聚合物 PEDOT:TOS 中,。PTHF 可以顯著減緩 PEDOT:TOS 通道層中離子的進出,,并將它們保持在理想的電導(dǎo)狀態(tài)。

  這些PTHF離子保持劑,能維持設(shè)備的理想電導(dǎo)狀態(tài),,實現(xiàn)人工智能『學(xué)習(xí)』和『記憶』等功能,,就好像人腦神經(jīng)元之間的化學(xué)物質(zhì),維持著人腦的靈活運作,。

  陳博士解釋說:「我們的研究,,解釋了訊息如何存儲在有機電化學(xué)晶體管的物理原理。而透過增強設(shè)備的『學(xué)習(xí)功能』,,為發(fā)展下一代計算器人工智能學(xué)習(xí)奠定重要基礎(chǔ),。記憶晶體管是建構(gòu)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu),而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以像人腦一樣執(zhí)行訊號識別或?qū)W習(xí),。將來,,我們有望可以將記憶晶體管與光學(xué)傳感器集成在一起,像人腦一樣,,進行同步圖像處理和計算,。」

  「人機界面這研究領(lǐng)域的空間巨大,,其應(yīng)用具有無限的可能,,能為人類帶來難以想象的裨益?!龟惒┦垦a充說,,目前他將聚焦于研究使用先進材料開發(fā)較為復(fù)雜的電路及降低運行功耗。




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