2019年新冠肺炎的出現(xiàn)以及世界各國(guó)政府隨后推行的衛(wèi)生政策突顯了口罩在抗擊傳染病傳播中的重要性?？谡珠L(zhǎng)期以來(lái)一直用于醫(yī)療保健，但是，公共部門向佩戴口罩的過渡遇到了眾所周知的合規(guī)性和有效性的挑戰(zhàn)。特別是，許多人報(bào)告說(shuō)口罩不舒服或令人窒息，這迫使他們摘下口罩以改善呼吸。然而，戴口罩只有在正確佩戴口罩并且緊緊覆蓋面部時(shí)才有效。
面部特征的變化也會(huì)妨礙口罩的正確佩戴，尤其是對(duì)于女性、面部較小的年輕人和留胡子的男性。目前，口罩主要設(shè)計(jì)用于醫(yī)院空調(diào)環(huán)境和胡子剃得干干凈凈的男性用戶。這種受控的條件和環(huán)境是普通市民無(wú)法獲得的。相反，為更廣泛的公眾設(shè)計(jì)更好的口罩需要更好地理解與口罩不合規(guī)相關(guān)的因素，以真實(shí)場(chǎng)景下用戶的反饋和數(shù)據(jù)的形式收集，同時(shí)直接向用戶提供實(shí)時(shí)貼合質(zhì)量反饋也很有價(jià)值。
近日，來(lái)自美國(guó)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在雜志Nature electronics雜志上發(fā)表了一篇題為“A conformable sensory face mask for decoding biological and environmental signals”的文章。在這篇文章中，研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種可與商用面罩集成的適形多模態(tài)感官面罩（conformable multimodal sensory face mask, cMaSK），用于監(jiān)測(cè)與傳染病、環(huán)境條件和面罩佩戴狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)。設(shè)計(jì)包括實(shí)現(xiàn)低功耗操作的組件和固件，具有藍(lán)牙低能耗的微處理器，以及與面罩集成的印制電路板（PCB）。薄粘合層允許集成系統(tǒng)與各種商用面罩（如外科口罩、N95口罩和棉口罩）反復(fù)粘合和分層。還開發(fā)了一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序，通過藍(lán)牙無(wú)線連接到cMaSK，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析。
主要內(nèi)容
cMaSK設(shè)計(jì)概述
下圖顯示了本研究的總體概念。cMaSK可以很容易地連接到各種面罩上，并且可以收集環(huán)境和生物信號(hào)。收集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信傳輸?shù)蕉ㄖ频囊苿?dòng)應(yīng)用程序，并發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。設(shè)計(jì)cMaSK時(shí)的四個(gè)要求：（1）應(yīng)選擇合適的傳感器組件并將其放置在最佳位置；（2）cMaSK不應(yīng)妨礙呼吸或影響面罩的佩戴和防護(hù)質(zhì)量；（3）cMaSK應(yīng)多次可逆地粘附在面罩上或從面罩上分離；（4）整個(gè)系統(tǒng)必須具有機(jī)械耐久性。
cMaSK由兩部分組成：（1）f-PCB厚度為100 μm，與口罩進(jìn)行交互；（2）控制整個(gè)設(shè)備操作的主PCB（m-PCB）。使用可充電鋰電池，cMaSK可以運(yùn)行超過60小時(shí)。
cMaSK設(shè)計(jì)概述。圖片來(lái)源：Nature electronics
用cMaSK進(jìn)行口罩貼合度測(cè)試
為了研究cMaSK對(duì)面罩性能的影響，研究團(tuán)隊(duì)使用了面罩貼合測(cè)試。結(jié)果顯示了帶有或不帶有cMaSK的面罩的面罩貼合度（環(huán)境中和面罩內(nèi)部的顆粒濃度之比），顯示出幾乎相同的值。這些數(shù)據(jù)表明，由于cMaSK的薄而適配的幾何形狀，它可以應(yīng)用于各種類型的面罩，而不必?fù)?dān)心面罩性能的惡化。
cMaSK的體外表征結(jié)果。圖片來(lái)源：Nature electronics
cMaSK的傳感性能表征
cMaSK含有17個(gè)電容傳感器。cMaSK可以通過電容傳感器墊來(lái)檢測(cè)口罩貼合度的變化。當(dāng)面罩完全覆蓋面部時(shí)，電容數(shù)值最高，因?yàn)楫?dāng)cMaSK完全覆蓋鼻子和嘴時(shí)，接觸皮膚的電容傳感器墊最多。cMaSK還設(shè)置了空氣壓力傳感器。當(dāng)cMaSK完全覆蓋時(shí)，因?yàn)楹粑\(yùn)動(dòng)，空氣壓力值有幾十帕斯卡量級(jí)的波動(dòng)。然而，當(dāng)面罩未正確佩戴時(shí)，壓力傳感器無(wú)法檢測(cè)到這種呼吸模式。另外，cMaSK不僅可以測(cè)量皮膚溫度，還可以檢測(cè)呼吸引起的溫度和濕度變化以及各個(gè)方向上的加速度。
當(dāng)cMaSK未正確佩戴時(shí)，呼吸引起的波動(dòng)變得更弱，甚至消失（下圖）。傳感器表征結(jié)果驗(yàn)證了cMaSK可以基于這些多模態(tài)信號(hào)對(duì)面罩的佩戴位置進(jìn)行分類。此外，通過計(jì)算溫度、濕度和氣壓的波動(dòng)次數(shù)，可以高精度地識(shí)別呼吸頻率，甚至可以在說(shuō)話時(shí)檢測(cè)咳嗽。因此，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了cMaSK可以監(jiān)測(cè)與傳染病相關(guān)的關(guān)鍵生物信號(hào)，如呼吸頻率、咳嗽和皮膚溫度。
cMaSK在不同面部位置和各種言語(yǔ)活動(dòng)下的體內(nèi)表征。圖片來(lái)源：Nature electronics
體內(nèi)環(huán)境和生物數(shù)據(jù)記錄操作
使用cMaSK進(jìn)行了體內(nèi)人體試驗(yàn)，以驗(yàn)證在進(jìn)行各種活動(dòng)時(shí)記錄生物和環(huán)境數(shù)據(jù)的適用性和可靠性。體內(nèi)測(cè)試結(jié)果顯示，根據(jù)cMaSK的位置，無(wú)論活動(dòng)類型如何，每個(gè)傳感器值都顯示出明顯的差異。cMaSK可以在動(dòng)態(tài)活動(dòng)期間測(cè)量皮膚溫度（圖e），使用加速度計(jì)監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)，確定語(yǔ)言活動(dòng)（呼吸頻率、咳嗽和說(shuō)話），即使受試者正在進(jìn)行各種身體活動(dòng)（圖d、f）。
人體試驗(yàn)還表明，cMaSK不僅可以在各種活動(dòng)中監(jiān)測(cè)環(huán)境和生物信號(hào)，還可以評(píng)估面罩貼合質(zhì)量。結(jié)果顯示，因?yàn)槊娌砍叽绾托螤畹牟顒e，女性受試者的外科口罩的貼合質(zhì)量不足，尤其是在口罩的底部和側(cè)面區(qū)域，擬合質(zhì)量分別比男性受試者低80%和70%。
人體實(shí)驗(yàn)身體活動(dòng)分析。圖片來(lái)源：Nature electronics
使用cMaSK驗(yàn)證口罩配合質(zhì)量改進(jìn)
男性受試者的胡子和女性受試者口罩尺寸不匹配導(dǎo)致口罩貼合度差，這顯著影響了口罩的功效。對(duì)一名戴不同尺寸外科口罩的女性受試者以及一名剃須前后的男性受試者進(jìn)行了口罩貼合度改善分析。結(jié)果顯示，當(dāng)外科口罩尺寸減小時(shí)，女性受試者的口罩貼合度測(cè)試儀測(cè)得的貼合度增加。這些結(jié)果強(qiáng)烈表明，較小的面罩更適合面部特征較小的人，如女性和兒童。男受試者剃胡子后，cMaSK測(cè)量的口罩貼合度在外科口罩和N95口罩中均增加。
通過對(duì)男性和女性受試者的口罩佩戴改善情況的分析，驗(yàn)證了cMaSK可以評(píng)估每個(gè)人的佩戴質(zhì)量和空氣面罩泄漏情況，其趨勢(shì)與傳統(tǒng)口罩佩戴測(cè)試儀得出的趨勢(shì)相似。
總結(jié)和討論
研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種可連接到任何面罩內(nèi)部并用于監(jiān)測(cè)與傳染病、環(huán)境條件和面罩佩戴狀態(tài)相關(guān)的信號(hào)的適形感官界面。感官面罩發(fā)出的多模態(tài)信號(hào)通過定制的移動(dòng)應(yīng)用程序無(wú)線傳輸?shù)椒?wù)器。該系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多種信號(hào)，包括皮膚溫度、濕度、言語(yǔ)活動(dòng)、呼吸模式和面罩的佩戴狀態(tài)，并觀察到男性和女性受試者之間由于面部尺寸和形狀變化而導(dǎo)致的佩戴質(zhì)量差異。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在科學(xué)研究中納入同等數(shù)量的不同性別的受試者的重要性。結(jié)果還表明，可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)口罩的位置進(jìn)行分類，男性和女性受試者的準(zhǔn)確率分別為92.8%和77.5%。
cMaSK為智能面罩系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個(gè)平臺(tái)，該系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)反饋，并可以積極幫助用戶優(yōu)化面罩貼合度。更廣泛地說(shuō), cMaSK提供了一個(gè)模塊化、可定制的研究工具，拓寬了對(duì)影響戴口罩行為的關(guān)鍵因素以及對(duì)人類健康和福祉的影響的理解。該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備，包括延長(zhǎng)電池壽命、設(shè)計(jì)更輕的m-PCB、實(shí)時(shí)解碼口罩狀態(tài)和其他生命體征，以及將cMaSK廣泛應(yīng)用于兒童、老年人和空氣污染嚴(yán)重的社會(huì)等人群的研究。開發(fā)的框架也可以用于為其他面向紡織品的服裝設(shè)計(jì)符合要求的、可定制的電子產(chǎn)品。
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