在皮肤接触界面持续监测压力和温度，对于预防卧床患者的组织损伤和循环系统相关并发症至关重要。然而，现有的医疗压力传感器大多体积庞大、有线连接且依赖电池供电，这限制了其长期使用的适用性。本文，韩国电气研究院Myungwoo Choi等研究人员在《Mater Horiz》期刊发表名为“A battery-free, wireless graphene pressure sensor for machine learning-assisted posture classification and VR/AR visualization in smart healthcare environments”的论文，研究提出一种无电池无线多模态传感平台，其中单层石墨烯作为高性能压力传感活性层，实现高灵敏度（1.75×10⁻³ kPa⁻¹，应变系数=8.6）和卓越稳定性（超过1000次工作循环）。
该平台可在无外部电源的情况下，实时可逆地检测皮肤-设备界面的压力与温度。通过深度学习算法（特别是深度神经网络DNNs），采集信号可被分类为不同坐姿模式，从而实现患者状态的智能持续监测。此外，集成增强现实/虚拟现实（AR/VR）界面可实时可视化压力分布，支持沉浸式远程医疗监护。本研究综合推出基于石墨烯的智能传感平台，无缝融合无线操作、人工智能驱动分析及AR/VR可视化技术，为先进患者监测提供个性化交互式智能医疗解决方案。
图文导读
图1、无电池无线石墨烯压力传感系统的设计与工作原理。(a) 无线石墨烯压力传感器的爆炸图示，由柔软的PDMS微垫、封装石墨烯活性层、支撑框架及集成NFC的柔性印刷电路板（用于无线数据传输与能量收集）组成。(b) 封装石墨烯层的结构布局与光学图像。(c) 应力施加下中心石墨烯区域局部应变的有限元分析（FEA）结果。(d) 基于NFC的无线架构方框图，实现压力与温度同步感知。(e和f) 组装完成及PDMS封装设备的照片，展示其柔韧性、皮肤贴合性与生物相容性。(g) 蛇形互联结构在拉伸下的FEA确认机械稳定性。 （h） 石墨烯压力传感平台支持的机器学习辅助姿势分类和基于AR/VR的可视化的概念图，用于实时、以患者为中心的医疗监测。
图2. 用作活性层的化学气相沉积法（CVD）生长石墨烯的结构表征与压力传感性能。（a）基于封装有聚酰亚胺（PI）层的CVD生长石墨烯薄膜的压力传感活性层示意图。（b）带有金电极的PI基底上石墨烯薄膜的光学显微镜（OM）图像。（c）传统CVD生长石墨烯（含吸附层与晶界）与单层高质量石墨烯（SH-Gr）的结构对比示意图。（d）扫描电子显微镜（SEM）图像展示CVD生长石墨烯（C-Gr）与单层高质量石墨烯（SH-Gr）的表面形貌。 (e) 碳石墨烯（C-Gr）和石墨烯-氢化物（SH-Gr）的拉曼光谱图。 (f和g) 分别为碳石墨烯（C-Gr）和石墨烯-氢化物（SH-Gr）的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。 (h) 在1、4、7和10千帕施压下石墨烯压力传感器的电阻变化比例（C-Gr，白色；SH-Gr，蓝色）。 (i) 石墨烯压力传感器在15千帕加载与卸载过程中的电阻响应。 (j) 石墨烯压力传感器在0.5、5、10和15千帕循环压力下的动态响应。 (k) 石墨烯压力传感器在5千帕下经过1000次循环加载后的长期稳定性。
图3、无电池石墨烯压力传感器的无线特性。（a）用于同时监测压力和温度的无电池无线传感平台的示意图和框图。该系统包括三个主要组件：（i）一个无电池无线传感器，集成了用于压力（ADC1）和温度（ADC2）测量的NFC SoC；（ii）提供无线电力传输和数据通信的主天线和读取器；以及（iii）用于通过图形用户界面（GUI）实时监控和可视化后处理数据的笔记本电脑。（b）无电池无线传感器在15kPa负载和卸载下的响应。（c）在10和6kPa的动态载荷下无线传感器ADC值的变化。（d） 在10 kPa的压力下，无线传感器在四个连续的加载-卸载循环中可再现的ADC变化。（e）无线传感器的ADC值随着温度的升高和降低而变化。
图4、使用来自无电池无线石墨烯压力传感器的数据进行姿势监测和分类。（a）显示在下背部、臀部和大腿上放置五个传感器进行姿势监测的照片。（b）用于监测实验的五种坐姿——正常、向前倾、向后倾、向左倾和向右倾。（c）在连续的姿势转换期间从传感器获得的压力（P）和温度（T）的连续测量值。（d）用于姿势分类的深度神经网络（DNN）模型示意图。（e）五个交叉验证分割（SP1–SP5）的分类准确性。（f）混淆矩阵，总结了五种坐姿的预测性能。
图6、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）监控系统与无电池无线石墨烯传感器集成。（a）AR/VR监控系统框图。（b）使用Meta Quest 3耳机上的直通功能在AR和VR模式之间切换。（c）AR系统的操作顺序分为四个步骤。（d）代表性AR帧，显示压力（红色）和温度（蓝色）的实时条形叠加。（e）用于多用户远程监控和评估的代表性VR框架。
小结
综上所述，本文开发了一种无电池无线压力传感系统，该系统采用单层高品质石墨烯作为高性能活性层，并整合了机器学习辅助分类与AR/VR可视化技术，适用于智能医疗应用。该石墨烯传感器具备高灵敏度、卓越的机械柔韧性及稳定的信号传导特性，可在无需外部电源的情况下，对皮肤界面上的细微压力与温度变化进行可靠的实时监测。通过将无线传感平台与人工智能驱动的数据分析相结合，成功实现了多种坐姿的分类识别，证明该系统能将复杂生理信号转化为具有实际意义的行为信息。此外，AR与VR可视化技术的融合实现了压力分布的直观实时远程评估，凸显该平台在沉浸式临床康复监测领域的应用潜力。这项工作展现了先进材料、智能算法与沉浸式可视化技术的协同融合，为构建连接人体生理与数字智能的个性化、预测性、交互式智能医疗系统开创了新范式。
文献:
https://doi.org/10.1039/D5MH02270C
审核编辑 黄宇
