Развитие носимой электроники позволяет создавать мобильные устройства для мониторинга показателей жизненно важных функций. Так, коммерчески доступные смарт-часы и фитнес-трекеры способны вести статистику, например, частоты пульса, что упрощает раннюю и дистанционную диагностику болезней сердца. Большинство таких систем, однако, не могут измерять частоту дыхания — хотя это могло бы предотвратить осложнения при астме, хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ) и апноэ во сне. Существующие прототипы подобных приборов обычно предполагают подключение датчиков или электродов к телу пользователя, что может ограничивать его движения и надежность.
Более перспективной считается интеграция носимых мониторов дыхания с текстилем по технологии сверхширокополосных импульсных радиосигналов (Impulse RadioUltra WideBand, IR UWB). По сравнению с аналогами, она требует менее громоздкой аппаратуры и в то же время обладает чрезвычайно высокой точностью передачи данных. Тем не менее, сейчас в «умной» одежде IR UWB, как правило, реализуется на базе сравнительно крупных патч-антенн из токопроводящих нитей — например, в форме квадратных лепестков — толщиной от шести до семи миллиметров. Чтобы уменьшить площадь устройства, канадские инженеры разработали антенну в виде фрагментов архимедовой спирали.
Прототип имеет две дуги общей длиной 10 сантиметров и изготовлен из кварцевого стекла с покрытием из полиимида и серебра. Прибор обладает электрическим сопротивлением 3 ± 1 ом на сантиметр и работает на резонансной частоте 2,45 гигагерца. В рамках испытаний авторы приклеили устройство к хлопчатобумажной футболке на уровне груди: при вдохе грудная клетка расширялась, растягивая дуги (не деформируя материал), что в сочетании с изменением диэлектрической проницаемости легких (с 20,51 до 48,45) «сдвигало» резонансную частоту антенны. Информация о сигнале антенны непрерывно передавалась на векторный анализатор электрических цепей (VNA) и затем на компьютер.
Таким образом, по «сдвигам» ученые могли оценить частоту дыхания. Чувствительность датчика составила 1,4 мегагерца на миллиметр. Так, перемещение грудной клетки всего на 3,6 миллиметра приводило к значительному изменению резонансной частоты — на 30 мегагерц. Помимо небольших размеров и высокой чувствительности, к преимуществам устройства авторы отнесли отсутствие контактов с кожей, что позволяет использовать его в обследовании младенцев. При этом в естественных условиях вместо векторного анализатора частоту антенны можно отслеживать с помощью других технологий, например узкополосных фильтров, работающих в ISM-диапазонах, к которым относится Bluetooth.
Статья опубликована в журнале Sensors.
Ранее швейцарские ученые представили неинвазивную систему мониторинга дыхания новорожденных на основе высокочувствительных видеокамер.
Hi-Tech
Денис Стригун
