本研究报告由Minyu Li、Jun Aoyama、Yuchao Wu、Tomomi Uchiyama、Kosho Yoshikawa、Toshiki Mano、Yuxi Song 以及通讯作者 Hedong Zhang 共同完成。作者们主要来自名古屋大学信息学研究科复杂系统科学系、名古屋大学可持续材料与系统研究所、社会医疗法人康顺会大同医院呼吸内科以及中央大学战略管理研究生院。这项研究以题为 “Portable breathing monitoring with phase-resolved airflow dynamics enabled by a dual-response flexible PZT sensor” 的论文形式，于2026年发表在学术期刊 Advanced Healthcare Materials 上。

一、 学术背景与目标 本研究属于生物医学工程与呼吸生理监测交叉领域，核心关注便携式日常呼吸监测技术。尽管呼吸是反映心血管功能与全身健康的重要生命体征，且其细微变化可能早于心率、血压等常规指标，但目前临床金标准——肺功能检查（Spirometry）——依赖于强制呼吸动作、患者高度配合和大型仪器，难以在日常自然状态下进行重复评估。现有的便携监测技术主要分为两类：一是基于胸腹运动的非直接气流传感方法，虽能连续监测但对气流相关的生理特性（如气道阻力、肺顺应性）敏感性不足；二是直接气流传感方法，能提供更贴近生理的信息，但既往研究多聚焦于呼吸频率、潮气量等稳态或准稳态参数。

然而，日常自然（潮式）呼吸是高度动态且受行为调制的，特别是吸气和呼气之间的相位转换涉及快速的气流变化，这些动态特征可能比传统稳态参数对呼吸不稳定性或早期功能恶化更为敏感。从物理角度看，呼吸气流天然耦合了机械（压力波动）和热效应（吸入与呼出气体的温差）。研究者们认为，同时捕捉这两个方面，而非单一效应，有望获得能反映气流稳态及动态特性的更丰富的波形信息。因此，本研究的核心目标是：开发一种基于柔性压电材料的便携呼吸监测设备，通过巧妙利用压电（Piezoelectric）和热释电（Pyroelectric）的耦合响应，在自然呼吸条件下实现相位解析的、周期内呼吸动力学分析，从而超越传统的整体参数，更直接地获取与气道力学和呼吸系统功能相关的动态信息。

二、 详细工作流程 本研究包含设备开发、信号特性验证、临床应用探索和数据分析等一系列严谨流程。

1. 传感器选择与设备原型开发 研究团队选用了一种柔性锆钛酸铅（PZT）传感器。该传感器具备压电与热释电双重响应，其多层结构以云母为基底，上覆PZT薄膜及电极。与刚性块体PZT或常用的有机聚偏氟乙烯（PVDF）传感器相比，该柔性传感器在弱气流机械刺激下能产生显著的平面内形变（E31模式），灵敏度更高，且长期稳定性已获验证。

为了在自然口腔呼吸中实现明确的气流路径，团队开发了一个便携式原型设备。设备包含气流通道、传感器固定单元、支撑柱以及内置锂电池和信号处理电路的底座。上游连接商用雾化器咬嘴以引导气流。传感器产生的电荷经电荷放大器转换为电压信号，通过蓝牙无线传输至移动终端进行实时记录与监测。

关键创新在于传感器方向的精心设计。 为确保与呼吸气流有效交互，传感器表面被设计为垂直于气流方向。由于传感器具有不对称的多层结构，翻转其方向会改变PZT层相对于上游气流的位置。团队通过独立的纯机械刺激（按压）和纯热刺激（加热）实验，分别标定了压电和热释电响应的信号极性。基于此，他们将传感器方向设置为PZT层朝向上游。这种设计使得在呼吸过程中，压电响应与热释电响应产生极性相反的信号，从而避免了信号混叠，并在测量波形中保留了相互可区分的特征。

2. 呼吸信号特征分析与验证 研究首先在15名健康受试者（无呼吸疾病史，近10年无吸烟史）中进行了60秒的自然口腔呼吸测量，并与下游连接的一个商用流量传感器信号进行同步对比。

结果发现，设备记录的波形呈现出独特的双组分结构：在每个吸气或呼气相位内，包含一个尖锐的瞬态尖峰（Spike）和一个宽阔的准稳态峰（Peak），且两者极性相反。具体表现为：吸气起始点（IO）位于波形局部最小值，随后依次出现一个窄的正向尖峰（SI）和一个宽的负向峰（NP）；呼气起始点（EO）位于局部最大值，随后依次出现一个窄的负向尖峰（SE）和一个宽的正向峰（PP）。

为了验证波形组分的起源，团队进行了控制实验： * 抑制热释电响应：将环境温度升高至接近体温（36.3°C），此时宽阔的峰成分几乎消失，而尖锐的尖峰成分依然清晰。这证实了宽阔的峰来自热释电响应（对温度敏感），而尖峰来自压电响应。 * 反转传感器方向：将PZT层朝向气流下游。此时，压电极性反转，变得与热释电极性相同，导致信号同极性叠加，尖锐的尖峰特征消失。这反向证实了正常方向下尖峰源于极性相反的压电响应。

进一步，团队探索了尖峰特征与呼吸特性的关系。通过在一位代表性受试者中调制呼吸深度和频率，发现尖峰振幅的增加与呼吸起始后气流变化率的增加密切相关，而非单纯取决于呼吸深度或频率本身。这印证了压电响应（通过电荷放大器读出）对时变形变敏感的特性。

3. 患者与健康受试者的初步比较 研究纳入了小规模的患者群体：慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者4名和哮喘（Asthma）患者5名，与前述15名健康受试者进行呼吸波形的初步比较。这并非旨在建立诊断标准，而是探索自然呼吸模式的差异。

为了量化瞬态相和准稳态相的相对贡献，研究定义了相位解析积分比指标：RTI（吸气瞬态相比例）、RPI（吸气准稳态相比例）、RTE（呼气瞬态相比例）、RPE（呼气准稳态相比例）。每个呼吸周期被分割为四个区域（瞬态吸气、准稳态吸气、瞬态呼气、准稳态呼气），计算各区域积分面积并归一化。

同时，为了与常规便携监测指标对比，团队还分析了一系列传统呼吸描述符，包括：时间域指标（吸气、呼气及整个周期持续时间）、幅度域指标（峰值、谷值、峰谷幅度）及其周期变异性（变异系数CV）、波形偏度（Skewness）以及频域特征（高频成分相对贡献）。

所有测量均在坐姿、静息、室温条件下进行，受试者通过咬嘴自然呼吸。健康受试者测量时同步记录商用流量计信号作为参照，患者测量因实际条件限制未进行同步流量记录。数据处理包括手动但规则引导的相位分割（未来需自动化），以及加汉宁窗后的傅里叶分析用于频域计算。

三、 主要结果 1. 健康受试者的呼吸波形特征：成功获取了具有明确双组分结构的呼吸波形，尖峰与宽峰极性相反。控制实验有力证实了尖峰源于压电响应（机械/动态），宽峰源于热释电响应（热/准稳态）。

2. 患者与健康受试者的相位解析指标对比： * 健康受试者：所有四项相位解析指标（RTI, RPI, RTE, RPE）分布集中且范围明确。瞬态相比例（RTI, RTE）较低（通常在0-20%），而准稳态相比例（RPI, RPE）占主导（通常在30-50%），表现为准稳态主导的呼吸模式。 * 患者群体：虽然部分患者指标落在健康参考范围内，但一个亚组显示出显著偏离：瞬态相比例升高（约20-40%），准稳态相比例降低（约10-30%）。这种偏离在吸气准稳态相比例（RPI）降低和呼气瞬态相比例（RTE）升高上表现得更为明显。组平均值也显示，患者与健康人在RPI和RTE上的差异比在RTI和RPE上更显著。这表明患者的呼吸模式呈现出向瞬态增强型的相对转变，且具体表现为吸气准稳态贡献下降与呼气瞬态贡献上升的耦合。

3. 传统描述符的对比结果： * 持续时间与幅度：健康受试者个体间变异大，分布宽。患者组呼吸周期持续时间倾向于分布在健康范围下限甚至更短，幅度值分布分散但仍在健康范围内。组平均水平显示，从健康人到哮喘再到COPD患者，平均幅度呈下降趋势。 * 变异系数（CV）：健康人分布相对集中，大多数患者CV值落在健康参考范围内。 * 偏度（Skewness）：健康人多呈负偏，患者组倾向于向正偏移动，两名COPD患者显著超出健康范围。正偏源于呼气准稳态峰相对大于吸气准稳态峰。 * 高频成分比例：健康人通常低于5%，而所有COPD患者和部分哮喘患者超过此范围，最高达约19%，表明患者波形中存在更显著的快速周期内波动。

4. 定量分析与生理解读： * 区分性能：将COPD和哮喘患者合并为“患者组”（n=9）与健康组（n=15）进行探索性比较，计算受试者工作特征曲线下面积（AUC）。结果显示，高频功率比、偏度、RPI、呼吸周期持续时间、RTE等指标具有相对较高的组水平区分性能。在相位解析指标中，RPI和RTE的AUC高于RTI和RPE，与观测到的组水平差异一致。 * 耦合关系：在所有受试者中，RPI与RTE呈现出极强的负相关（Spearman‘s ρ = -0.98）。这强于RPI与RTI、RPI与RPE的相关性，支持了患者组的相位重分布主要表现为吸气准稳态贡献下降和呼气瞬态贡献上升的耦合变化。 * 生理学解释层级：结果提示了呼吸信息的一种层级结构：持续时间、幅度及其变异性主要反映整体且易受行为影响的呼吸特征；偏度和高频成分捕捉了改变的周期内动力学；而相位解析积分指标则直接表征了底层呼吸相位的重分布。后者得益于双响应传感产生的特征波形，能够显式解析呼吸努力在吸气/呼气、瞬态/准稳态之间的分配，提供了更直接、可解释的功能性信息。

四、 结论与价值 本研究成功开发了一种基于柔性PZT双响应传感器的便携呼吸监测设备。通过利用传感器方向使压电与热释电响应极性相反，该设备能够在自然口腔呼吸下记录到包含瞬态尖峰和准稳态宽峰的特征性双组分波形。这一内在波形结构使得直接分析每个呼吸周期内的动力学分布成为可能，超越了呼吸频率或深度等整体指标。

基于此，研究引入了相位解析积分指标来量化吸气和呼气过程中瞬态与准稳态成分的相对贡献。在健康受试者与COPD/哮喘患者中的初步比较及探索性分析表明，患者相关的波形变化表现为相位特异性的呼吸动力学重分布，特别是吸气准稳态贡献下降与呼气瞬态贡献上升的耦合。这种双响应传感方法将自然呼吸监测的焦点，从整体的、行为敏感的特征，转向了与气道力学和呼吸系统功能联系更直接的周期内气流动力学。

科学价值：本研究提出并验证了一种新的呼吸信号传感与分析范式，将机械与热效应结合，并首次在便携设备上实现了对自然呼吸中瞬态与准稳态相位的分离与量化。这为理解日常状态下的呼吸生理与病理生理提供了新的工具和视角。 应用价值：该设备具有便携、易用的特点，有望应用于日常长期呼吸监测，为慢性呼吸系统疾病的家庭管理、早期预警以及个性化临床管理提供潜在的技术支持。相位解析指标可能成为比传统稳态参数更敏感的功能性生物标志物。

五、 研究亮点 1. 创新性的双响应传感机制：首次在便携呼吸监测中，通过巧妙设计传感器方向，主动分离并利用压电（机械/动态）和热释电（热/准稳态）的极性相反响应，产生了具有鲜明特征的双组分呼吸波形。 2. 相位解析与周期内分析：基于独特的波形结构，提出了能够量化呼吸努力在吸气/呼气、瞬态/准稳态之间分布的相位解析指标，实现了对自然呼吸动态更精细、更生理相关的描述。 3. 从“整体”到“组分”的范式转变：研究重点从传统的呼吸频率、深度等整体参数，转向关注呼吸周期内部的结构与动力学，这更有可能捕捉到与气道功能直接相关的细微变化。 4. 初步的临床相关性验证：尽管样本量有限，但研究在真实患者群体中观察到了与健康人不同的相位分布模式，特别是RPI与RTE的耦合变化，为后续大规模研究奠定了基础，显示了该方法的生理学意义和潜在临床应用前景。

六、 其他有价值内容 研究团队对其方法的局限性也有清晰认识，指出当前相位分割依赖人工视觉检查，未来需开发自动化算法以用于大规模研究和实际部署。同时，他们强调未来需要在更广泛、更多样化的人群中进行验证，以确立该方法的稳健性和生理相关性，并支持其向日常生活场景下的实际呼吸监测转化。这些都为后续研究指明了方向。