在醫(yī)療科技的快速進步之中，軟生物電子技術因其巨大潛力而備受矚目。這項革命性技術，能夠連續(xù)、實時、準確地監(jiān)測人體健康狀況，預示著未來醫(yī)療的新紀元。然而，一直以來，運動偽影問題如同揮之不去的陰影，制約著軟生物電子技術的應用。管理運動偽影是軟生物電子學臨床轉(zhuǎn)化的關鍵，以確保軟設備能夠選擇性地高精度檢測目標生物信號。

什么是運動偽影？

在討論如何克服運動偽影之前，我們首先需要理解什么是運動偽影。簡而言之，運動偽影是由于人體運動和生理活動導致的，對信號測量的準確性和穩(wěn)定性產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象。這種干擾可能源于人體自身的運動，如行走、跑步、甚至是呼吸或心跳，也可能因為外部環(huán)境的影響，如設備的移動或振動。運動偽影會對生物電信號的質(zhì)量產(chǎn)生負面影響，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準確，進而影響到最終的健康評估和診斷結(jié)果。

近日，加州大學洛杉磯分校Jun Chen等人討論了身體活動如何影響軟生物電子-組織界面并產(chǎn)生運動偽影信號，包括界面阻抗不穩(wěn)定運動偽影、生物電勢運動偽影和機械運動偽影。然后研究了不同的運動偽影管理策略，包括材料使用、器件設計、組織粘附、電路設計、以及算法干預，以減少運動偽影對信號采集、處理和解析的干擾。相關工作以“Motion artefact management for soft bioelectronics”為題，發(fā)表在Nature Reviews Bioengineering上。加州大學洛杉磯分校的Junyi Yin和Shaolei Wang作為共同第一作者。

【文章要點】

1.生物電子-組織界面

軟生物電子技術通過與組織曲面無縫集成，實現(xiàn)了與組織界面的穩(wěn)定機械耦合與生理信號的有效捕獲，支持電生理、生物化學及生物力學信號監(jiān)測。電極可捕獲微弱電生理活動，如腦電、心電及肌電信號。生化監(jiān)測主要分析體液中的生物標志物，如電解質(zhì)和有機分子，通過生化傳感器與體液的化學反應產(chǎn)生電信號。軟生物電子通過力學傳感器捕捉如應力、壓力等參數(shù)實現(xiàn)生物力學過程的監(jiān)測（圖1）。然而，生物電子-組織界面的耦合狀態(tài)會受到運動的影響，可能導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的扭曲或不可靠性，產(chǎn)生運動偽影信號。

圖1 軟生物電子系統(tǒng)和生物電子-組織界面

2. 運動偽影的分類與起源

根據(jù)形成的原因，運動偽影可分為三類：界面阻抗不穩(wěn)定運動偽影、生物勢位運動偽影和機械運動偽影。（1）界面阻抗不穩(wěn)定運動偽影由于軟生物電子的脫落和移位導致電極接觸狀態(tài)變化，引發(fā)信號基線漂移和嚴重失真。（2）生物電勢運動偽影源自神經(jīng)和肌肉的電化學活動產(chǎn)生的生物電信號，可能干擾目標信號的電生理監(jiān)測。（3）機械運動偽影由生物力學活動引起并傳至軟生物電子，引入無關生物力學信號至目標信號中（圖2）。

圖2 軟生物電子中的運動偽影

3.阻抗不穩(wěn)定運動偽影管理

阻抗不穩(wěn)定運動偽影主要源于軟生物電子的電極與活體組織接觸界面的變化，如設備的脫落或位移導致電極接觸狀態(tài)發(fā)生變化。這種狀態(tài)變化會引起界面阻抗的波動，從而產(chǎn)生信號基線漂移和嚴重的信號失真。為了管理這種類型的運動偽影，文章提出了幾種策略（圖3）：

（1）材料-組織的力學匹配：選擇與組織力學性質(zhì)（如柔軟度和伸展性）相匹配的材料，以減少因設備和組織間力學不匹配導致的界面不穩(wěn)定。

（2）設備結(jié)構(gòu)工程化：通過優(yōu)化軟生物電子的結(jié)構(gòu)設計（如超薄、應變調(diào)整和可拉伸設計），增強其對組織動態(tài)變化的適應性，從而減少界面阻抗波動。

（3）生物電子-組織粘附：通過改善軟生物電子與組織之間的粘附性，例如利用微結(jié)構(gòu)表面或物理/化學粘合劑，來確保設備在活動中的穩(wěn)定性。

圖3. 阻抗不穩(wěn)定運動偽影管理

4. 生物電勢運動偽影管理

生物電勢運動偽影是由神經(jīng)和肌肉組織的電化學活動產(chǎn)生的生物電信號引起的。這些電信號可能與目標信號重疊，干擾其獲取和解析，特別是在監(jiān)測微弱或高頻的信號時。管理這種類型的偽影，通常涉及以下策略（圖4）：

（1）電路設計：采用定制的電路設計來減少偽影信號的干擾，如信號補償電路。這種電路通過減少來自生物電勢活動的噪聲來清晰地捕捉目標信號。

（2）算法干預：利用濾波算法（如低通、高通和帶通濾波）和機器學習技術（如深度學習和獨立成分分析）對信號進行后處理，從而分離目標和偽影信號。

5. 機械運動偽影管理

機械運動偽影由生物力學活動引起，如身體運動和生理功能。這些活動導致的機械干擾傳播到軟生物電子，引入無關的生物力學信號到目標信號中。為了有效管理這種偽影，文章提出了以下策略（圖4）：

（1）傳感器設計：通過采用特定的傳感器設計來在初始階段消除偽影，例如阻尼器或應變隔離器，可以在測試階段過濾掉與目標信號無關的機械干擾。

（2）功能電路設計：通過集成信號補償電路和柔性晶體管，這些電路可以在電信號傳播過程中減少機械運動偽影的干擾，提高信號的準確度。

（3）算法干預：使用高級濾波算法和機器學習模型進行信號的后處理，根據(jù)信號的特性分離目標信號和偽影，從而提高目標信號的準確性。

圖4. 生物電勢和機械運動偽影管理

總結(jié)與展望

總的來說，作者深入探討了運動偽影在軟生物電子中的產(chǎn)生原因及其管理方法，為該領域的研究和應用提供了寶貴的指導。文章首先識別了運動偽影的主要來源，包括界面阻抗不穩(wěn)定、生物電勢以及機械運動所引起的偽影，并詳細討論了它們對生物信號準確捕獲和分析的干擾。隨后，針對這些挑戰(zhàn)，文章提出了一系列創(chuàng)新的管理策略，包括利用智能材料、優(yōu)化設備結(jié)構(gòu)、改進電路設計以及應用先進的算法處理技術，旨在有效減少或消除這些偽影，從而提高軟生物電子設備的監(jiān)測準確性和可靠性。

最后，文章對未來軟生物電子技術的發(fā)展進行了展望，強調(diào)了跨學科合作、智能材料開發(fā)、個性化設計和先進的信息處理技術在推動醫(yī)療監(jiān)測領域應用中的關鍵作用。此外，文章進一步討論了將生物電子從實驗室推向市場和臨床應用時需要注意的要點，包括制造可擴展性、成本效益、設備可靠性以及根據(jù)患者需求定制化服務的重要性。這些討論為軟生物電子技術的進步和實際應用提供了全面而深入的指導，同時指出了在實現(xiàn)其在醫(yī)療實踐中廣泛應用前需要克服的關鍵挑戰(zhàn)，展現(xiàn)了一個充滿潛力和機遇的未來方向。

封面來源于圖蟲創(chuàng)意