城大发明可追踪呼吸、咳嗽和说话声音的智能口罩，助辨识呼吸系统疾病
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（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〉。
结合声波传感器的智能口罩在宽带宽和动态压力范围高度灵敏，可追踪到人体多重呼吸活动。（视频来源︰Wiley Editing Services / DOI: 10.1002/advs.202203565）
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。
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。”
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。通讯作者包括城大的于博士、汪教授和李教授。研究团队其他成员包括城大机械工程学系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。
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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