城大發明可追蹤呼吸、咳嗽和說話聲音的智能口罩 助辨識呼吸系統疾病

無論是在疫情肆虐或疾病快將發展為風土病時，戴口罩以預防新冠病毒傳播，已被公認為最有效的方法之一。除了口罩的傳統功能之外，以智能口罩監測人體生理信號也越來越受重視。香港城市大學（城大）領導的研究團隊最近發明了一種智能口罩，結合超薄納米複合海綿結構的聲波傳感器，能夠檢測呼吸、咳嗽和說話的聲音。

智能口罩以機器/深度學習方法，配合適用於寬頻帶寬兼具高靈敏度的聲波傳感器，在識別呼吸系統疾病方面開創了嶄新的領域，更可應用在語音交互工具上。這種超輕量、可穿戴的技術，更具備潛力發展，應用於日常生活裡長期及系統性的呼吸健康監測，以改善個人健康和公共衞生。

這項以智能口罩檢測與區分多重呼吸音的研究，由機械工程學系講座教授李文榮教授、電腦科學系汪建平教授，及生物醫學工程學系副教授于欣格博士共同領導。香港大學中醫藥學院沈劍剛教授的團隊亦對此研究作出重要貢獻。相關論文已在期刊《先進科學》發表，標題為〈Wide-bandwidth nanocomposite-sensor integrated smart mask for tracking multiphase respiratory activities〉。

即使冠狀病毒病變風土病　戴口罩保護仍重要

「很多國家現在都預計2019冠狀病毒病在不久的將來會發展為風土病。」李教授說。「然而，我們要保持務實，切忌過於樂觀，因為疫情進入風土病階段並不等於無害，它仍有機會誘發一定程度的疾病，導致殘疾和死亡。」他以瘧疾為例，目前在全球87個國家被視為風土病，但根據世界衞生組織的資料， 2020年瘧疾感染約2億4100萬人，導致超過62萬人死亡。因此，他認為大家對冠狀病毒病仍要保持警惕，以行之有效的方法預防病毒傳播，例如戴口罩以作保護。

李教授續說：「這個智能口罩採用了我們自行研發、高敏感度、柔性、寬帶寬聲波傳感器，能夠檢測和記錄人體每日的呼吸活動，例如呼吸、咳嗽和說話，數據會傳送至雲端儲存。」

研究團隊開發的智能口罩有一個厚度僅400微米的海綿結構，其以碳納米管／聚二甲基硅氧烷（CNT/PDMS）納米複合材料為原料，以團隊全新改良的犧牲層釋放技術（sacrificial-release technique）製成。這超薄輕巧的傳感器無論結合硬身口罩或可變形的不織布口罩，應用均證實有效。

靜態與動態壓力下均表現良好

研究計劃早前招募31人，採集他們佩戴智能口罩時呼吸活動的數據。研究發現聲波傳感器在靜態與動態壓力測量範圍均具有高度靈敏。除了在27.9帕斯卡至2.5千帕靜態壓力測量範圍內表現良好外，傳感器也對人體聲音所產生的高頻動態壓力，即聲音諧波聲能高達4000赫茲，具有高敏感度。此外，傳感器也能夠感應空氣定向流動和振動。這些結果反映只要把傳感器與商用口罩結合成智能口罩，可以檢測人體的呼吸活動，並區分人體呼吸、咳嗽和說話。

汪教授說：「先進的人工智能技術使口罩能夠自動識別不同的咳嗽和呼吸模式，這表示它在將來或可用於診斷呼吸系統疾病。」李教授補充說：「目前，研究人員使用商用傳感器去偵測溫度變化及氣流，以數算咳嗽次數，但他們無從得知人聲中包含的重要生理資訊。我們研發的智能口罩對細微的氣壓和高頻振動都很敏感，可以檢測到咳嗽的三個階段。」

研究團隊希望最終可研發出實時診斷方法，適用於如肺塵埃沉着病的症狀評估。于博士說：「這種新型的物聯網智能口罩，具潛力發展為低成本的日常智能可穿戴設備，特別在香港這種人口密集的城市，有助在呼吸系統疾病篩查和診斷方面，作個人健康及公共衞生管理。」智能口罩的語音偵測能力也有助解決戴口罩而出現的聲音衰減問題。

這項研究的第一作者包括索姣小姐、劉逸凡先生和吳叢博士，三位都是李教授的學生。通訊作者包括城大的于博士、汪教授和李教授。研究團隊其他成員包括城大機械工程學系Walid Daoud博士和楊征保博士，以及數據科學學院李忻月博士。

研究項目的主要經費來源包括深圳市科技創新委員會、香港研究資助局和香港心腦血管健康工程研究中心。