什么是運動偽影？

在討論如何克服運動偽影之前，我們首先需要理解什么是運動偽影。簡而言之， 運動偽影是由于人體運動和生理活動導致的，對信號測量的準確性和穩(wěn)定性產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象。 這種干擾可能源于人體自身的運動，如行走、跑步、甚至是呼吸或心跳，也可能因為外部環(huán)境的影響，如設(shè)備的移動或振動。運動偽影會對生物電信號的質(zhì)量產(chǎn)生負面影響，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準確，進而影響到最終的健康評估和診斷結(jié)果。

近日， 加州大學洛杉磯分校 Jun Chen 等人討論了 身體活動如何影響軟生物電子-組織界面并產(chǎn)生運動偽影信號，包括界面阻抗不穩(wěn)定運動偽影、生物電勢運動偽影和機械運動偽影。然后研究了不同的運動偽影管理策略，包括材料使用、器件設(shè)計、組織粘附、電路設(shè)計、以及算法干預，以減少運動偽影對信號采集、處理和解析的干擾 。 相關(guān)工作以“Motion artefact management for soft bioelectronics”為題，發(fā)表在 Nature Reviews Bioengineering 上。加州大學洛杉磯分校的 Junyi Yin 和 Shaolei Wang 作為共同第一作者。

【文章要點】

1.生物電子-組織界面

軟生物電子技術(shù)通過與組織曲面無縫集成，實現(xiàn)了與組織界面的穩(wěn)定機械耦合與生理信號的有效捕獲，支持 電生理、生物化學及生物力學信號監(jiān)測 。電極可捕獲微弱 電生理活動 ，如腦電、心電及肌電信號。 生化監(jiān)測 主要分析體液中的生物標志物，如電解質(zhì)和有機分子，通過生化傳感器與體液的化學反應(yīng)產(chǎn)生電信號。軟生物電子通過力學傳感器捕捉如應(yīng)力、壓力等參數(shù)實現(xiàn) 生物力學 過程的監(jiān)測（圖1）。 然而，生物電子-組織界面的耦合狀態(tài)會受到運動的影響，可能導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的扭曲或不可靠性，產(chǎn)生運動偽影信號。

圖1 軟生物電子系統(tǒng)和生物電子-組織界面

2. 運動偽影的分類與起源

根據(jù)形成的原因，運動偽影可分為三類：界面阻抗不穩(wěn)定運動偽影、生物勢位運動偽影和機械運動偽影。（1） 界面阻抗不穩(wěn)定運動偽影 由于軟生物電子的脫落和移位導致電極接觸狀態(tài)變化，引發(fā)信號基線漂移和嚴重失真。（2） 生物電勢運動偽影 源自神經(jīng)和肌肉的電化學活動產(chǎn)生的生物電信號，可能干擾目標信號的電生理監(jiān)測。（3） 機械運動偽影 由生物力學活動引起并傳至軟生物電子，引入無關(guān)生物力學信號至目標信號中（圖2）。

圖2 軟生物電子中的運動偽影

3.阻抗不穩(wěn)定運動偽影管理

阻抗不穩(wěn)定運動偽影主要源于軟生物電子的電極與活體組織接觸界面的變化，如設(shè)備的脫落或位移導致電極接觸狀態(tài)發(fā)生變化。這種狀態(tài)變化會引起界面阻抗的波動，從而產(chǎn)生信號基線漂移和嚴重的信號失真。為了管理這種類型的運動偽影，文章提出了幾種策略（圖3）：

（1）材料-組織的力學匹配： 選擇與組織力學性質(zhì)（如柔軟度和伸展性）相匹配的材料，以減少因設(shè)備和組織間力學不匹配導致的界面不穩(wěn)定。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)工程化： 通過優(yōu)化軟生物電子的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如超薄、應(yīng)變調(diào)整和可拉伸設(shè)計），增強其對組織動態(tài)變化的適應(yīng)性，從而減少界面阻抗波動。

（3）生物電子-組織粘附： 通過改善軟生物電子與組織之間的粘附性，例如利用微結(jié)構(gòu)表面或物理/化學粘合劑，來確保設(shè)備在活動中的穩(wěn)定性。

圖3. 阻抗不穩(wěn)定運動偽影管理

4. 生物電勢運動偽影管理

生物電勢運動偽影是由神經(jīng)和肌肉組織的電化學活動產(chǎn)生的生物電信號引起的。這些電信號可能與目標信號重疊，干擾其獲取和解析，特別是在監(jiān)測微弱或高頻的信號時。管理這種類型的偽影，通常涉及以下策略（圖4）：

（1）電路設(shè)計 ：采用定制的電路設(shè)計來減少偽影信號的干擾，如信號補償電路。這種電路通過減少來自生物電勢活動的噪聲來清晰地捕捉目標信號。

（2）算法干預 ：利用濾波算法（如低通、高通和帶通濾波）和機器學習技術(shù)（如深度學習和獨立成分分析）對信號進行后處理，從而分離目標和偽影信號。

5. 機械運動偽影管理

機械運動偽影由生物力學活動引起，如身體運動和生理功能。這些活動導致的機械干擾傳播到軟生物電子，引入無關(guān)的生物力學信號到目標信號中。為了有效管理這種偽影，文章提出了以下策略（圖4）：

（1）傳感器設(shè)計： 通過采用特定的傳感器設(shè)計來在初始階段消除偽影，例如阻尼器或應(yīng)變隔離器，可以在測試階段過濾掉與目標信號無關(guān)的機械干擾。

（2）功能電路設(shè)計： 通過集成信號補償電路和柔性晶體管，這些電路可以在電信號傳播過程中減少機械運動偽影的干擾，提高信號的準確度。

（3）算法干預： 使用高級濾波算法和機器學習模型進行信號的后處理，根據(jù)信號的特性分離目標信號和偽影，從而提高目標信號的準確性。

圖4. 生物電勢和機械運動偽影管理

總結(jié)與展望

總的來說，作者深入探討了運動偽影在軟生物電子中的產(chǎn)生原因及其管理方法，為該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了寶貴的指導。文章首先識別了運動偽影的主要來源，包括界面阻抗不穩(wěn)定、生物電勢以及機械運動所引起的偽影，并詳細討論了它們對生物信號準確捕獲和分析的干擾。隨后，針對這些挑戰(zhàn)，文章提出了一系列創(chuàng)新的管理策略，包括利用智能材料、優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、改進電路設(shè)計以及應(yīng)用先進的算法處理技術(shù)，旨在有效減少或消除這些偽影，從而提高軟生物電子設(shè)備的監(jiān)測準確性和可靠性。

最后，文章對未來軟生物電子技術(shù)的發(fā)展進行了展望，強調(diào)了跨學科合作、智能材料開發(fā)、個性化設(shè)計和先進的信息處理技術(shù)在推動醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用中的關(guān)鍵作用。此外，文章進一步討論了將生物電子從實驗室推向市場和臨床應(yīng)用時需要注意的要點，包括制造可擴展性、成本效益、設(shè)備可靠性以及根據(jù)患者需求定制化服務(wù)的重要性。這些討論為軟生物電子技術(shù)的進步和實際應(yīng)用提供了全面而深入的指導，同時指出了在實現(xiàn)其在醫(yī)療實踐中廣泛應(yīng)用前需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，展現(xiàn)了一個充滿潛力和機遇的未來方向。