柔性传感之鱼活力

★ 欢迎引用:

Luwei Zhang, Chuiyu Kong, You Li, Yanfu He, Xiangyun Guo, Dongjie Shi, Xiaoshuan Zhang, Jinyou Hu, Multi-scale bioimpedance flexible sensing with causal hierarchical machine learning for fish vitality evaluation under adversity stress, Biosensors and Bioelectronics, 254,2024,116190.

★ 研究背景

无水低温胁迫环境会引起鱼类的应激反应，影响其活力。在这项研究中，中国农业大学胡金有教授、张小栓教授团队开发了一种基于激光激活、可拉伸、高导电性液态金属(LM)的柔性传感器系统，用于鱼类多尺度生物阻抗检测。具有优良的一致性、导电性、弯曲和循环拉伸稳定性。同时，测试结果表明，无线供电是实现无水低温封装内设备安全供电的潜在解决方案。此外，建立了基于格兰杰因果关系的层次回归模型(GC-HRM)。结果表明，组织生物阻抗可以诱导个体生物阻抗的变化，且具有单向格兰杰因果关系。单尺度个体生物阻抗下，线性回归(LR)、支持向量回归(SVR)和人工神经网络(ANN)模型的R2分别为0.85、0.90和0.78。通过引入多尺度生物阻抗特征，LR、SVR和ANN模型的R2分别提高到0.95、1.00和0.98。

★ 文章解析

以龙胆石斑鱼(♀Epinephelus fuscoguttatus♂Epinepheus lanceolatus)为模型物种。活力下降和多尺度生物阻抗变化如图1(a)所示。宏观上，持续无水低温胁迫可直接导致鱼类活力下降。在微观层面上，无水低温胁迫下鱼类活力和生物阻抗的变化涉及细胞、组织和个体等不同尺度的变化。生物组织的三元等效电路模型表明，生物组织的细胞膜是电容性的，而细胞内和细胞外液体是电阻性的。累积的应力逐渐导致完整的细胞膜破裂，造成细胞内液体的流失。广泛的细胞损伤进一步导致肌肉纤维的变形和断裂，导致松散和软肉的形成。最终，这一过程以宏观个体活力的衰退而告终。MSBFSS主要由LM柔性电极、无线供电模块、生物阻抗采集模块和PC软件组成。如图1(b)所示，无线电源模块通过电磁感应原理工作。通过在发射端将电能转换为电磁场，在接收端将电磁场再转换为电能，实现生物阻抗采集模块的无线供电。生物阻抗和相角信号通过LM柔性电极采集，该电极在生物阻抗采集模块和样品之间建立连接。采集到的信号最终被传输到PC机进行数据分析和建模。LM柔性电极的制备工艺流程如图1(c)所示。采用激光激活，制备出导电LM柔性电极，如图1(d)所示。如图1(e)所示，无线电源模块(中国XKT公司)包括一个发射模块(发射电路和发射线圈)和一个接收模块(接收电路和接收线圈)。无线电源模块具有自适应调节电源电压、自动频率锁定、自动负载检测和自动电源控制等优点。该模块保证了常用集成电路和传感器的稳定供电。生物阻抗采集模块的物理原理图如图1(f)所示。生物阻抗采集模块能够单激励频率或扫描阻抗测量。PC软件界面如图1(g)所示。具有设定激励参数、实时显示生物阻抗和相位角等功能。

图1：机理图

如图2(a)所示，对无线供电线圈的FEM进行分析，改变收发线圈之间的水平和垂直距离会影响输出电压和电磁场分布。当垂直距离增加时，电磁场分布基本保持不变，但电磁场强度减弱;当垂直距离一定，水平距离增大时，电磁场的分布受到干扰。因此，水平和垂直距离的增加会影响输出电压。图2(b)为不同激励电压下鱼体电位分布的仿真结果。结果表明，改变激励频率不会引起电位分布的变化。然而，鱼体复杂的组织结构导致其生物阻抗具有各向异性，难以模拟。因此，在实际检测中需要考虑激励频率对活鱼多尺度生物阻抗信号的影响。除电极材料外，电极形态对电位分布也有影响。圆形电极在接触面上的电位分布更为均匀。相反，电极的尖角或边缘区域，如正方形或三角形，很容易导致电流密度的局部集中。因此，均匀的电极形状和光滑的电极线可以提高生物阻抗信号采集的质量。此外，在活鱼组织尺度上的模拟结果与个体尺度上的模拟结果一致。圆形电极的组织电位模拟结果如图2(c)所示。

图2：仿真图

从共形性、弯曲稳定性和拉伸稳定性方面对制备的LM柔性电极的性能进行了评价。图3(a)显示了LM电极的保形能力。对不同表面形貌的样品均能较好地保形粘附。它有助于提供稳定的接触阻抗，以提高信号采集的质量。图3(b)和(c)显示了激光激活前后LM电极表面形貌的变化。在激光激活之前，LM表面覆盖着一层分散颗粒形式的金属氧化物壳。此时，LM电极的导电性较差，甚至没有导电性。激光激活导致金属氧化物外壳的烧蚀和液态金属颗粒的团聚，导致液态金属聚结成导电膜。这有利于保持LM柔性电极的形态稳定性和导电性。图3(d)为LM电极在不同弯曲角度下的电阻变化情况。LM电极的电阻随弯曲角度的增大而增大。图3(e)为LM电极在0 ~ 200%拉伸应变下的电阻变化情况。当拉伸应变在100%以内时，电阻变化量仅为8.58%;当拉伸应变大于150%时，电阻变化呈指数增长。这可能是由于较大的拉伸应变导致液态金属聚集体形成的导电膜断裂，破坏了连续的导电路径。因此，为了进一步评估LM电极的可恢复性，我们进行了循环拉伸试验，如图3(f)所示。拉伸应变设为30%，循环拉伸1200s后LM电极的电阻变化仅为3.08%。截取了拉伸应变在100s、400s、700s和1000s时的电阻变化结果，显示出良好的可恢复性。因此，所制备的LM电极可以有效降低石斑鱼应激行为的影响，可以稳定地用于多尺度生物阻抗检测应用。

图 3：性能测试

图4(a)显示了获取数据集的耦合彩色填充等高线图。结果表明，数据增强后的信号趋势与原始信号保持高度一致。验证了数据扩充后数据集的可靠性。对个体生物阻抗和组织生物阻抗进行格兰杰因果检验，如图4(b)所示。基于组织生物阻抗与个体生物阻抗，显著性p值为0.000。这说明组织生物阻抗可以引起个体生物阻抗的变化。进一步验证了鱼类多尺度生物阻抗变化机制的真实性和多尺度生物阻抗检测的必要性。图4(c)、(d)和(e)分别为基于LR、SVR和ANN的分层回归模型。第一层模型使用个体生物阻抗作为输入，血糖作为输出。LR、SVR和ANN的R²值分别为0.85、0.90和0.78。第二层模型使用个体和组织生物阻抗作为输入，血糖作为输出。LR、SVR和ANN的R²值分别为0.95、1.00和0.98。基于SVR核模型的预测效果最好。在处理非线性问题时，LR模型不如SVR和ANN模型有效。人工神经网络模型更依赖于大规模的数据集和复杂的非线性关系。与SVR模型相比，它对噪声和异常值的容忍度较低。同时，考虑到组织生物阻抗信号可能无法及时采集的问题，可以将原始组织生物阻抗数据集作为先验知识，提前补偿个体生物阻抗信号的误差，以优化模型预测效果。综上所述，所建立的GC-HRM模型利用多尺度生物阻抗信号预测鱼类血糖变化和活力状态是可行的。此外，生物阻抗变化特性广泛存在于生物体中。因此，该解决方案可以很容易地移植到其他活体动物监测应用程序中。值得一提的是，生物体的形态千差万别，我们设计的电极形状可能无法满足所有的应用场景。然而，我们提出的柔性电极制造工艺操作简单。研究人员可以根据研究对象的生物结构设计更合适的电极来实现共形接触。为移植应用提供更多的便利是不可忽视的。

图 4：预测模型

柔性传感之鱼活力

★ 欢迎引用:

Luwei Zhang, Chuiyu Kong, You Li, Yanfu He, Xiangyun Guo, Dongjie Shi, Xiaoshuan Zhang, Jinyou Hu, Multi-scale bioimpedance flexible sensing with causal hierarchical machine learning for fish vitality evaluation under adversity stress, Biosensors and Bioelectronics, 254,2024,116190.

★ 研究背景

无水低温胁迫环境会引起鱼类的应激反应，影响其活力。在这项研究中，中国农业大学胡金有教授、张小栓教授团队开发了一种基于激光激活、可拉伸、高导电性液态金属(LM)的柔性传感器系统，用于鱼类多尺度生物阻抗检测。具有优良的一致性、导电性、弯曲和循环拉伸稳定性。同时，测试结果表明，无线供电是实现无水低温封装内设备安全供电的潜在解决方案。此外，建立了基于格兰杰因果关系的层次回归模型(GC-HRM)。结果表明，组织生物阻抗可以诱导个体生物阻抗的变化，且具有单向格兰杰因果关系。单尺度个体生物阻抗下，线性回归(LR)、支持向量回归(SVR)和人工神经网络(ANN)模型的R2分别为0.85、0.90和0.78。通过引入多尺度生物阻抗特征，LR、SVR和ANN模型的R2分别提高到0.95、1.00和0.98。

★ 文章解析

以龙胆石斑鱼(♀Epinephelus fuscoguttatus♂Epinepheus lanceolatus)为模型物种。活力下降和多尺度生物阻抗变化如图1(a)所示。宏观上，持续无水低温胁迫可直接导致鱼类活力下降。在微观层面上，无水低温胁迫下鱼类活力和生物阻抗的变化涉及细胞、组织和个体等不同尺度的变化。生物组织的三元等效电路模型表明，生物组织的细胞膜是电容性的，而细胞内和细胞外液体是电阻性的。累积的应力逐渐导致完整的细胞膜破裂，造成细胞内液体的流失。广泛的细胞损伤进一步导致肌肉纤维的变形和断裂，导致松散和软肉的形成。最终，这一过程以宏观个体活力的衰退而告终。MSBFSS主要由LM柔性电极、无线供电模块、生物阻抗采集模块和PC软件组成。如图1(b)所示，无线电源模块通过电磁感应原理工作。通过在发射端将电能转换为电磁场，在接收端将电磁场再转换为电能，实现生物阻抗采集模块的无线供电。生物阻抗和相角信号通过LM柔性电极采集，该电极在生物阻抗采集模块和样品之间建立连接。采集到的信号最终被传输到PC机进行数据分析和建模。LM柔性电极的制备工艺流程如图1(c)所示。采用激光激活，制备出导电LM柔性电极，如图1(d)所示。如图1(e)所示，无线电源模块(中国XKT公司)包括一个发射模块(发射电路和发射线圈)和一个接收模块(接收电路和接收线圈)。无线电源模块具有自适应调节电源电压、自动频率锁定、自动负载检测和自动电源控制等优点。该模块保证了常用集成电路和传感器的稳定供电。生物阻抗采集模块的物理原理图如图1(f)所示。生物阻抗采集模块能够单激励频率或扫描阻抗测量。PC软件界面如图1(g)所示。具有设定激励参数、实时显示生物阻抗和相位角等功能。

图1：机理图

如图2(a)所示，对无线供电线圈的FEM进行分析，改变收发线圈之间的水平和垂直距离会影响输出电压和电磁场分布。当垂直距离增加时，电磁场分布基本保持不变，但电磁场强度减弱;当垂直距离一定，水平距离增大时，电磁场的分布受到干扰。因此，水平和垂直距离的增加会影响输出电压。图2(b)为不同激励电压下鱼体电位分布的仿真结果。结果表明，改变激励频率不会引起电位分布的变化。然而，鱼体复杂的组织结构导致其生物阻抗具有各向异性，难以模拟。因此，在实际检测中需要考虑激励频率对活鱼多尺度生物阻抗信号的影响。除电极材料外，电极形态对电位分布也有影响。圆形电极在接触面上的电位分布更为均匀。相反，电极的尖角或边缘区域，如正方形或三角形，很容易导致电流密度的局部集中。因此，均匀的电极形状和光滑的电极线可以提高生物阻抗信号采集的质量。此外，在活鱼组织尺度上的模拟结果与个体尺度上的模拟结果一致。圆形电极的组织电位模拟结果如图2(c)所示。

图2：仿真图

从共形性、弯曲稳定性和拉伸稳定性方面对制备的LM柔性电极的性能进行了评价。图3(a)显示了LM电极的保形能力。对不同表面形貌的样品均能较好地保形粘附。它有助于提供稳定的接触阻抗，以提高信号采集的质量。图3(b)和(c)显示了激光激活前后LM电极表面形貌的变化。在激光激活之前，LM表面覆盖着一层分散颗粒形式的金属氧化物壳。此时，LM电极的导电性较差，甚至没有导电性。激光激活导致金属氧化物外壳的烧蚀和液态金属颗粒的团聚，导致液态金属聚结成导电膜。这有利于保持LM柔性电极的形态稳定性和导电性。图3(d)为LM电极在不同弯曲角度下的电阻变化情况。LM电极的电阻随弯曲角度的增大而增大。图3(e)为LM电极在0 ~ 200%拉伸应变下的电阻变化情况。当拉伸应变在100%以内时，电阻变化量仅为8.58%;当拉伸应变大于150%时，电阻变化呈指数增长。这可能是由于较大的拉伸应变导致液态金属聚集体形成的导电膜断裂，破坏了连续的导电路径。因此，为了进一步评估LM电极的可恢复性，我们进行了循环拉伸试验，如图3(f)所示。拉伸应变设为30%，循环拉伸1200s后LM电极的电阻变化仅为3.08%。截取了拉伸应变在100s、400s、700s和1000s时的电阻变化结果，显示出良好的可恢复性。因此，所制备的LM电极可以有效降低石斑鱼应激行为的影响，可以稳定地用于多尺度生物阻抗检测应用。

图 3：性能测试

图4(a)显示了获取数据集的耦合彩色填充等高线图。结果表明，数据增强后的信号趋势与原始信号保持高度一致。验证了数据扩充后数据集的可靠性。对个体生物阻抗和组织生物阻抗进行格兰杰因果检验，如图4(b)所示。基于组织生物阻抗与个体生物阻抗，显著性p值为0.000。这说明组织生物阻抗可以引起个体生物阻抗的变化。进一步验证了鱼类多尺度生物阻抗变化机制的真实性和多尺度生物阻抗检测的必要性。图4(c)、(d)和(e)分别为基于LR、SVR和ANN的分层回归模型。第一层模型使用个体生物阻抗作为输入，血糖作为输出。LR、SVR和ANN的R²值分别为0.85、0.90和0.78。第二层模型使用个体和组织生物阻抗作为输入，血糖作为输出。LR、SVR和ANN的R²值分别为0.95、1.00和0.98。基于SVR核模型的预测效果最好。在处理非线性问题时，LR模型不如SVR和ANN模型有效。人工神经网络模型更依赖于大规模的数据集和复杂的非线性关系。与SVR模型相比，它对噪声和异常值的容忍度较低。同时，考虑到组织生物阻抗信号可能无法及时采集的问题，可以将原始组织生物阻抗数据集作为先验知识，提前补偿个体生物阻抗信号的误差，以优化模型预测效果。综上所述，所建立的GC-HRM模型利用多尺度生物阻抗信号预测鱼类血糖变化和活力状态是可行的。此外，生物阻抗变化特性广泛存在于生物体中。因此，该解决方案可以很容易地移植到其他活体动物监测应用程序中。值得一提的是，生物体的形态千差万别，我们设计的电极形状可能无法满足所有的应用场景。然而，我们提出的柔性电极制造工艺操作简单。研究人员可以根据研究对象的生物结构设计更合适的电极来实现共形接触。为移植应用提供更多的便利是不可忽视的。

图 4：预测模型