研究人员发明智能口罩，追踪呼吸声音以识别呼吸道疾病

　　

   

   

视频:纳米复合传感器集成智能口罩允许检测宽带宽动态压力范围，具有跟踪多相呼吸活动的高灵敏度。    

戴口罩被认为是防止COVID-19传播最有效的方式之一，即使是在即将到来的流行阶段。除了传统口罩的功能外，智能口罩监测人体生理信号的潜力正在被越来越多地探索。由香港城市大学领导的研究小组最近发明了一种智能口罩，它集成了超薄纳米复合材料海绵结构的声波传感器，能够检测呼吸、咳嗽和说话的呼吸声音。

智能口罩使用机器学习算法和高灵敏度声波传感器，可在宽带宽内操作，为其在呼吸道疾病识别和语音交互工具方面的应用开辟了新的途径。通过在日常生活中实现长时间和系统的呼吸健康监测，这种超轻的可穿戴技术还具有改善个人和公共健康的潜力。

由香港城市大学机械工程学系讲座教授李文容教授、计算机科学系教授王建平教授和生物医学工程学系副教授于新格博士领导的研究小组，最近开发了一款智能口罩，可以检测和区分多重呼吸动作。香港大学中医学院沈建刚教授团队也为该项目做出了重要贡献。研究结果发表在《先进科学》杂志上，标题为“用于跟踪多相呼吸活动的宽带纳米复合传感器集成智能口罩”。

即使COVID-19成为流行病，戴口罩的重要性  

李教授说:“许多国家现在认为，新冠肺炎很快就会成为流行病。“然而，我们必须抛开乐观，对未来几年与这种疾病相关的疾病、残疾和死亡的可能水平保持现实态度。重要的是要记住，地方病并不等于无害。”他以疟疾为例说明，根据世界卫生组织(World Health Organization)的数据，尽管疟疾目前被认为在87个国家流行，但到2020年，估计有2.41亿人感染了疟疾，造成62.7万人死亡。因此，他建议人们应该继续对COVID-19保持警惕，并使用现有和已证实的措施，包括口罩，来控制病毒的传播。

李教授解释说:“这款智能口罩采用了我们自主研发的高灵敏度、宽频带柔性传感器，可以检测和记录人类日常呼吸活动，如呼吸、咳嗽和说话，用于云数据存储。”

该研究小组开发的智能口罩具有薄至400μm的海绵状结构，由碳纳米管和聚二甲基硅氧烷(CNT/PDMS)材料制成，采用了全新的改良牺牲释放技术。超薄，轻量化传感器可以实际集成，有效地与刚性口罩和可变形无纺布口罩工作。

良好的静、动压性能  

研究团队招募了31人，以便收集他们戴智能口罩时的呼吸活动。结果表明，声波传感器在测量静态和动态压力方面都具有较高的灵敏度。该传感器除了在27.9 Pa - 2.5 kPa的静压范围内表现良好外，还能对人的声音产生的高频动态压力，即高达4000 Hz的声谐波声能量做出响应。此外，传感器可以感知空气运动，包括定向流动和振动。这些发现表明，通过将传感器与商用聚碳酸酯口罩集成，可用于检测人体呼吸活动。研究还表明，智能口罩可以检测和区分三种常见的呼吸功能:呼吸、咳嗽和说话。

王教授说:“先进的人工智能技术使这款综合口罩能够自动识别不同的咳嗽和呼吸模式，预示着它未来可能被用于诊断呼吸相关疾病。”“目前，研究人员使用商用传感器来检测温度变化和气流，以计算咳嗽的次数，但他们无法捕获人类声音、咳嗽和呼吸中包含的重要生理信息。我们的智能口罩对细微的气压和高频振动都很敏感，可以检测出咳嗽的三个阶段，”李教授补充说。

该团队的目标是最终开发实时诊断算法，用于尘肺病症状评估等应用。余博士说:“作为一种潜在的低成本、日常智能可穿戴设备，这种新的物联网智能口罩将有助于个人和公共健康管理，对呼吸道疾病进行筛查和诊断，特别是在像香港这样人口密集的城市。”智能口罩的语音检测能力还可以帮助解决戴口罩带来的声音衰减问题。