香港城大发明可追踪呼吸、咳嗽和说话声音的智能口罩

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无论是在疫情肆虐或疾病快将发展为风土病时,戴口罩以预防新冠病毒传播,已被公认为最有效的方法之一。除了口罩的传统功能之外,以智能口罩监测人体生理信号也越来越受重视。香港城市大学(香港城大)领导的研究团队最近发明了一种智能口罩,结合超薄纳米复合海绵结构的声波传感器,能够检测呼吸、咳嗽和说话的声音。

智能口罩以机器/深度学习方法,配合适用于宽频带宽兼具高灵敏度的声波传感器,在识别呼吸系统疾病方面开创了崭新的领域,更可应用在语音交互工具上。这种超轻量、可穿戴的技术,更具备潜力发展,应用于日常生活里长期及系统性的呼吸健康监测,以改善个人健康和公共卫生。

这项以智能口罩检测与区分多重呼吸音的研究,由香港城大机械工程学系讲座教授李文荣教授、电脑科学系汪建平教授,及生物医学工程学系副教授于欣格博士共同领导。香港大学中医药学院沈剑刚教授的团队亦对此研究作出重要贡献。相关论文已在期刊《先进科学》发表,标题为〈Wide-bandwidth nanocomposite-sensor integrated smart mask for tracking multiphase respiratory activities〉。

香港城大发明可追踪呼吸、咳嗽和说话声音的智能口罩

香港城大的智能口罩协助改善个人健康及公共卫生。

即使冠状病毒病变风土病,戴口罩保护仍重要

“很多国家现在都预计2019冠状病毒病在不久的将来会发展为风土病。”李教授说,“然而,我们要保持务实,切忌过于乐观,因为疫情进入风土病阶段并不等于无害,它仍有机会诱发一定程度的疾病,导致残疾和死亡。”他以疟疾为例,目前在全球87个国家被视为风土病,但根据世界卫生组织的资料, 2020年疟疾感染约2亿4100万人,导致超过62万人死亡。因此,他认为大家对冠状病毒病仍要保持警惕,以行之有效的方法预防病毒传播,例如戴口罩以作保护。

李教授续说:“这个智能口罩采用了我们自行研发、高敏感度、柔性、宽带宽声波传感器,能够检测和记录人体每日的呼吸活动,例如呼吸、咳嗽和说话,数据会传送至云端储存。”

研究团队开发的智能口罩有一个厚度仅400微米的海绵结构,其以碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(CNT/PDMS)纳米复合材料为原料,以团队全新改良的牺牲层释放技术(sacrificial-release technique)制成。这超薄轻巧的传感器无论结合硬身口罩或可变形的不织布口罩,应用均证实有效。

香港城大发明可追踪呼吸、咳嗽和说话声音的智能口罩

透过与商用口罩结合,柔性传感器可检测人体呼吸活动。

静态与动态压力下,均表现良好

研究计划早前招募31人,采集他们佩戴智能口罩时呼吸活动的数据。研究发现声波传感器在静态与动态压力测量范围均具有高度灵敏。除了在27.9帕斯卡至2.5千帕静态压力测量范围内表现良好外,传感器也对人体声音所产生的高频动态压力,即声音谐波声能高达4000赫兹,具有高敏感度。此外,传感器也能够感应空气定向流动和振动。这些结果反映只要把传感器与商用口罩结合成智能口罩,可以检测人体的呼吸活动,并区分人体呼吸、咳嗽和说话。

汪教授说:“先进的人工智能技术使口罩能够自动识别不同的咳嗽和呼吸模式,这表示它在将来或可用于诊断呼吸系统疾病。”李教授补充说,“目前,研究人员使用商用传感器去侦测温度变化及气流,以数算咳嗽次数,但他们无从得知人声中包含的重要生理资讯。我们研发的智能口罩对细微的气压和高频振动都很敏感,可以检测到咳嗽的三个阶段。”

香港城大发明可追踪呼吸、咳嗽和说话声音的智能口罩

研究团队希望最终可研发出实时诊断方法,适用于如肺尘埃沉着病的症状评估。于博士说:“这种新型的物联网智能口罩,具潜力发展为低成本的日常智能可穿戴设备,特别在香港这种人口密集的城市,有助在呼吸系统疾病筛查和诊断方面,作个人健康及公共卫生管理。”智能口罩的语音侦测能力也有助解决戴口罩而出现的声音衰减问题。

这项研究的第一作者包括索姣小姐、刘逸凡先生和吴丛博士,三位都是李教授的学生。通讯作者包括香港城大的于博士、汪教授和李教授。研究团队其他成员包括香港城大机械工程学系Walid Daoud博士和杨征保博士,以及数据科学学院李忻月博士。

研究项目的主要经费来源包括深圳市科技创新委员会、香港研究资助局和香港心脑血管健康工程研究中心。

香港城大发明可追踪呼吸、咳嗽和说话声音的智能口罩

(左起)香港城市大学汪建平教授、李文荣教授和机械工程学系博士生索姣。

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