近日，《科学·转化医学》（Science Translational Medicine）杂志发表了题为“Wireless sensors for continuous, multimodal measurements at the skin interface with lower limb prostheses”的论文。文章提出并实现了一种用于残肢假肢界面的多模态无线传感系统，可以与假肢集成，连续检测假肢内部的压力和温度。 

全球范围内每年会新增100万截肢者，相当于每30秒就会新增一位截肢患者。假肢与残肢的匹配程度直接影响了截肢患者的生活质量。较松的假肢插口会导致患者在行走时产生假肢与残肢的相对位移，造成皮肤与假肢的摩擦；过紧的假肢插口会使皮肤承载过高的压力，引发压疮等问题。通过三维建模，根据截肢患者残肢的尺寸、形状定制个人专用的假肢插口可以有效避免上述问题。然而，由于残肢的形貌会随着时间不断发生变化，原本精确定制的残肢-假肢界面会随着时间的推移而变得不再匹配。通过持续、无线地监测残肢-假肢界面的各种物理状态（如界面的压力），可以对假肢插口的匹配程度进行实时反馈。当假肢与残肢的匹配程度降低时，截止患者可以及时更新假肢，避免界面不匹配造成的一系列影响。 

图一介绍了整套无线传感系统的构架。作者同时采用近场传输与蓝牙无线通信协议，实现了二者的优势互补。假肢内部（示意图橙色部分）包含柔性压力传感器、天线以及简单的近场传输电路模块。得益于近场传输协议的特点，假肢内部的器件具有小巧、轻薄的特点，且不需要电池，完全可以靠天线无线耦合得到的能量来驱动整套电路。假肢外部（示意图绿色部分）包含近场传输读取器、电池、天线以及蓝牙模块，电池和天线用于把外部的能量以无线的形式传递给假肢内部，近场传输读取器可以实时读取假肢内部传感器所采集到的信息，并传递给蓝牙模块，实现进一步的远距离无线通信，如将信息传递给手机或平板电脑等便携设备。

图一：无线传感系统的原理示意图。

整个系统的关键器件为假肢内部的压力传感器。为了满足残肢-假肢界面压力的检测，以下两个因素必不可少。首先，压力传感器须具有柔软的界面。这是因为压力传感器会直接与残肢接触，并周期性地承担整个人体的重量，在这种情况下，刚性的器件会对皮肤造成很大的损伤。其次，压力传感器不能具有明显的迟滞现象。这是因为医学检测对准确性具有很高的要求，而迟滞会导致压力和传感器的输出存在一对多的对应关系，导致无法根据传感器输出精确反推出压力值。为了满足上述两个要求，作者采用被工业界认可的金属应变片，并通过三维屈曲工艺将应变片从平面结构转化为立体结构，以提升对正向压力的灵敏度（图二A-E）。和商用传感器的对比测试表明，这种基于三维金属应变片结构的柔性压力传感器具有很好的检测准确度（图二F-I）。

图二：柔性压力传感器的设计与测试。

基于这种柔性压力传感器和无线系统，作者在胫骨截肢者（图三左）和经股截肢者（图三右）的残肢-假肢界面进行了测试，分别得到了截止患者多个不同界面处在不同姿态下的压力、温度信息。

图三：无线传感系统应用于残肢-假肢界面检测。

美国西北大学Querrey Simpson生物电子研究所的Jean Won Kwak和韩梦迪为本论文的第一作者，美国西北大学John A. Rogers教授为本论文的通讯作者。

文章链接：

https://stm.sciencemag.org/content/12/574/eabc4327