一种具有主动力反馈功能的柔性纺织传感系统，可用于不显眼地持续监测勃起功能

《Sensors and Actuators A: Physical》：A flexible textile sensing system with active force feedback for unobtrusive continuous monitoring of erectile function

可穿戴无线应变传感器通过铜基导电墨水印刷和五环同心圆电极设计实现高灵敏度药物外渗检测，响应时间达72ms，可检测0.5mL肿胀体积，适用于临床实时监测。

　　

林云轩|杨晓玲|廖英志

台湾国立大学化学工程系，台北106319，台湾

摘要

静脉（IV）治疗过程中的渗漏可能导致严重的并发症，但其早期检测仍依赖于主观的视觉观察和患者报告的不适感，这两种方法在临床环境中往往并不可靠。在这项研究中，我们提出了一种柔软、可穿戴且无线的印刷应变传感器设计，用于实时监测输液引起的组织肿胀。该传感器使用基于铜的导电墨水直接印刷在可伸展的基板上，具有同心圆形电极几何结构，能够实现各向同性的应变灵敏度。在10%的应变下，其应变系数高达1472，响应时间约为72.4毫秒，恢复时间约为70毫秒。该设备与基于ESP32的无线模块集成，用于连续电阻测量并将数据实时传输到自定义的图形用户界面。通过参数优化和多点肿胀实验，确定了五环配置（n=5）为最佳设计，能够检测到最小约0.5毫升的肿胀体积。这些发现表明，所提出的系统提供了一种低成本、干扰小且高度敏感的早期渗漏检测解决方案，在常规临床监测中具有很大的应用潜力。

引言

静脉（IV）治疗是现代临床实践中最常见的医疗程序之一[1]；然而，渗漏等并发症（定义为注入的液体或药物意外泄漏到周围组织中）仍然是一个关键的安全问题。渗漏可能导致严重的后果，包括组织坏死、筋膜室综合征和长期的功能障碍，尤其是在使用刺激性或腐蚀性药物时。尽管其临床重要性显著，但渗漏的早期检测主要依赖于手动视觉观察和患者报告的不适感，这两种方法都是主观的、延迟的，并且在无意识镇静、新生儿护理或高风险化疗期间并不可靠[2]、[3]。

目前，渗漏的预防主要依赖于视觉观察和患者反馈，这些方法本质上具有主观性且缺乏定量准确性。为了解决这一限制，已经探索了各种传感技术[4]，包括生物阻抗[5]、[6]、[7]、温度[8]、[9]、[10]、射频/微波[11]、光学成像[12]、超声监测[13]、液体压力[14]、[15]和皮肤变形[16]、[17]。然而，这些系统通常受到笨重仪器的限制，传感响应范围有限，或者会干扰静脉部位的视觉观察，同时也缺乏连续的无线监测能力。因此，仍然迫切需要一种柔软、低成本且干扰小的可穿戴传感器，以实现早期渗漏事件的连续、无线和实时监测。

印刷电子技术作为制造下一代可穿戴医疗监测系统（WHMS）的有希望的解决方案，已经引起了广泛关注。印刷技术，包括喷墨印刷[18]、[19]、直接书写印刷[20]、凹版印刷[21]和丝网印刷[22]、[23]、[24]，能够将导电材料、介电材料和传感材料沉积在聚合物[20]、纺织品[25]甚至人体皮肤[26]等柔性基板上。这些技术具有许多优势，如低成本大规模生产、机械灵活性、轻量化设计以及将多个传感器集成到单个平台中。最近，使用完全回收材料的混合应变传感器和先进的制造策略进一步扩展了可穿戴电子产品的应用范围。例如，已经开发出双功能贴片，能够同时监测温度和关节运动，为人类医疗保健提供了经济高效的解决方案[27]。为了实现更高的分辨率和灵敏度，采用了多喷嘴电液动力（EHD）喷墨印刷等先进技术，制造出能够精确检测细微生理信号（如手指弯曲）的柔软可穿戴电路[28]。此外，金属/聚合物复合传感膜的发展，如PEDOT:PSS与银纳米粒子的结合，使得完全通过喷墨印刷制造的传感器具有高耐用性和灵敏度，可用于实时运动检测[29]。

基于这些材料系统和功能集成的进展，电阻型应变传感器因其机械顺应性、与皮肤的贴合度以及检测局部表面变形的能力而受到了广泛关注。通过利用应变-电阻效应[30]，这些传感器将机械应变转换为可测量的电信号，从而实现连续和非侵入性的细微生理变化（如皮肤肿胀）的监测。在渗漏检测的背景下，尽管临床注入的液体在粘度、渗透压或化学成分上可能有所不同，但早期的生理表现主要是局部皮下体积膨胀引起的皮肤向外变形。从生物力学的角度来看，这种初始反应主要由体积位移决定，而不是液体的特定物理化学性质。因此，基于应变的传感策略提供了一种与液体无关的检测机制，因为它直接将产生的机械膨胀转换为电信号。尽管有这些优势，当前的应变传感技术仍面临关键限制，如方向敏感性[31]、[32]、复杂的制造过程以及与可穿戴无线系统的兼容性有限，这些因素共同阻碍了它们在临床环境中的实际应用。

为了解决上述挑战，在这项工作中，我们开发了一种专门用于早期渗漏检测的可穿戴、无线、直接印刷的传感器系统。与仅依赖几何伸长的传统传感器不同，所提出的设备基于印刷颗粒网络中微裂纹的形成和传播的独特转换机制工作。这种机制能够高灵敏度地测量由皮下液体体积膨胀引起的局部皮肤拉伸应变。为了超越现有的线性或蛇形设计，该传感器采用了同心圆形电极几何结构。这种配置确保了各向同性的应变灵敏度，使传感器能够均匀检测多方向的肿胀模式，而不受方向影响。与依赖生物阻抗、温度或压力测量的现有方法相比，这种设计直接将局部表面变形转换为电信号，同时消除了方向依赖性。这种设计通过实现全方向变形检测、高灵敏度和与无线可穿戴平台的无缝集成，推进了传感原理的发展。

材料

材料

氟橡胶（Daiel-G801）购自大金工业有限公司（日本）。甲基异丁基酮（MIBK）购自Alfa Aesar（美国）。铜颗粒购自厚齐化学集团（台湾）。非离子聚合物氟化物表面活性剂（FC-4430）购自3M公司（美国）。离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓双（三氟甲基磺酰）酰亚胺（UR-EMIBTI，99%）按原样使用。所有材料均未经进一步纯化直接使用。

应变传感器的制造

印刷电极的材料和形态表征

系统地研究了导电浆料的材料和电气特性，以评估其适用于可穿戴应用的潜力。如图2A所示，随着铜填料浓度的增加，印刷样品的电阻率急剧下降，尤其是在55%至60%的渗透区域内。这一转变代表了连续导电网络的形成，这对于应变传感至关重要。值得注意的是，当填料

结论

总之，本研究提出了一种柔软、可穿戴且无线的印刷应变传感系统，用于静脉治疗期间的早期渗漏检测。通过使用基于铜的导电墨水和同心圆形电极几何结构，该传感器实现了各向同性的应变灵敏度和高机电性能。材料和结构优化证实，电极几何结构在应变传递中起着关键作用，同心设计有效地消除了

CRediT作者贡献声明

杨晓玲：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。林云轩：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，验证，正式分析，数据管理，概念化。廖英志：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC编号112–2221-E-002–026-MY3和113–2221-E-002–026-MY2）和台湾国立大学（NTU-CC-114L895102、NTU-CC-114L895105、NTU-CC-115L893802和NTU-CC-115L893805）的支持。

林云轩是台湾国立大学化学工程系的硕士生，她的研究重点是先进传感技术的开发与应用。