港大機(jī)械工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)可穿戴偵測(cè)心房顫動(dòng)的心電圖傳感器

香港大學(xué)機(jī)械工程系副教授陳國(guó)梁博士

心房顫動(dòng)是最常見的心律失常，與較高的中風(fēng)或心臟衰竭風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)連。然而，顯示心房顫動(dòng)的f波訊號(hào)，震幅非常微弱，傳統(tǒng)的便攜式心電圖傳感器極難探測(cè)得到。香港大學(xué)(港大)機(jī)械工程系副教授陳國(guó)梁博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，研發(fā)出一種穿戴方便的心電圖(ECG)傳感器，可偵測(cè)心房顫動(dòng)的電生理訊號(hào)，作日常應(yīng)用。陳博士的團(tuán)隊(duì)又仿人腦記憶功能，成功把訊息儲(chǔ)存入有機(jī)晶體管，為機(jī)器學(xué)習(xí)仿真人腦功能，奠定關(guān)鍵性的基礎(chǔ)。兩項(xiàng)重要的科研成果，已分別在國(guó)際期刊《自然通訊》發(fā)表。

利用有機(jī)單分子層制作的可穿戴心電圖傳感器其中題為「亞熱離子、超高增益有機(jī)晶體管和電路」(注一)的嶄新心電圖傳感器，偵測(cè)心房顫動(dòng)，與南京大學(xué)合作開發(fā)。嶄新傳感器的訊號(hào)放大功能出色，可把輸入訊號(hào)放大(增益)超過(guò)10,000倍，能檢測(cè)得到震幅非常微弱，顯示心房顫動(dòng)，即頻率為每分鐘357次(BPM)的f波。初步試驗(yàn)顯示，傳感器能成功探測(cè)心房顫動(dòng)病人的不正常電生理訊號(hào)，傳統(tǒng)電極則未能做到。團(tuán)隊(duì)在陳博士早前研發(fā)的單層有機(jī)場(chǎng)效晶體管(Organic field-effect transistor, OFET)的基礎(chǔ)上，把柔性、超薄的半導(dǎo)體裝嵌到柔性的基板(物料：聚酰亞胺)上，開發(fā)出嶄新心電圖傳感器。而OFET中的超低亞閾值擺幅(SS)，正是今次心電圖傳感器具有高訊號(hào)檢測(cè)能力的關(guān)鍵。

港大研發(fā)的有機(jī)記憶電化學(xué)晶體管陳博士說(shuō)：「亞閾值擺幅是晶體管或逆變器操作中的一個(gè)重要參數(shù)，提示需要多少電壓變化才能將設(shè)備從『關(guān)斷』狀態(tài)變?yōu)椤簩?dǎo)通』狀態(tài)。我們的裝置能提供創(chuàng)紀(jì)錄的低亞閾值擺動(dòng)，確保在耗能極低(低運(yùn)行功耗)的情況下維持高靈敏度。」嶄新心電圖傳感器具備柔性可折疊的特質(zhì)，輕盈如一片保鮮膜或貼身膠片，只需一個(gè)小型鈕扣電池供電，應(yīng)用攜帶方便?！概宕餍聜鞲衅鞯娜丝梢韵硎苄袆?dòng)上的自由，跑來(lái)跑去，甚至可以隨心所欲地去淋浴，不需要連接任何儀器操作。今次也是我們研發(fā)的新結(jié)構(gòu)OFET在應(yīng)用上的重要突破。」陳博士說(shuō)。陳博士研發(fā)的單層OFET創(chuàng)新技術(shù)，采用有機(jī)物料作為半導(dǎo)體讓電流通道，具備柔性的特質(zhì)優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果早于《先進(jìn)材料》發(fā)表，已申請(qǐng)美國(guó)專利。陳博士團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》發(fā)表的另一項(xiàng)研究，題為「使用離子捕獲記憶突觸有機(jī)電化學(xué)晶體管模仿聯(lián)想學(xué)習(xí)行為」(注二)。研究團(tuán)隊(duì)成功仿照人腦運(yùn)作，將「記憶」，即收集到的訊號(hào)和訊息，植入到有機(jī)晶體管中，為實(shí)現(xiàn)像人腦一樣能執(zhí)行訊號(hào)識(shí)別和學(xué)習(xí)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，奠定關(guān)鍵性的基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)與美國(guó)伊利諾伊州的西北大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，將「離子保持劑」聚四氫呋喃(PTHF)添加到導(dǎo)電有機(jī)聚合物 PEDOT:TOS 中。PTHF 可以顯著減緩 PEDOT:TOS 通道層中離子的進(jìn)出，并將它們保持在理想的電導(dǎo)狀態(tài)。這些PTHF離子保持劑，能維持設(shè)備的理想電導(dǎo)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人工智能『學(xué)習(xí)』和『記憶』等功能，就好像人腦神經(jīng)元之間的化學(xué)物質(zhì)，維持著人腦的靈活運(yùn)作。陳博士解釋說(shuō)：「我們的研究，解釋了訊息如何存儲(chǔ)在有機(jī)電化學(xué)晶體管的物理原理。而透過(guò)增強(qiáng)設(shè)備的『學(xué)習(xí)功能』，為發(fā)展下一代計(jì)算器人工智能學(xué)習(xí)奠定重要基礎(chǔ)。記憶晶體管是建構(gòu)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以像人腦一樣執(zhí)行訊號(hào)識(shí)別或?qū)W習(xí)。將來(lái)，我們有望可以將記憶晶體管與光學(xué)傳感器集成在一起，像人腦一樣，進(jìn)行同步圖像處理和計(jì)算?！埂溉藱C(jī)界面這研究領(lǐng)域的空間巨大，其應(yīng)用具有無(wú)限的可能，能為人類帶來(lái)難以想象的脾益?！龟惒┦垦a(bǔ)充說(shuō)，目前他將聚焦于研究使用先進(jìn)材料開發(fā)較為復(fù)雜的電路及降低運(yùn)行功耗。

不同尺寸的有機(jī)記憶電化學(xué)晶體管