一种触摸式的多模态加密生物人机接口

本研究设计了一个多模态加密生物-人机接口（CB-HMI），它能够无缝地将用户的触摸输入转换为加密的生化、生物物理和生物特征指数。CB-HMI具备薄型水凝胶涂层化学传感器和推断算法，可以无创地获取生化指标，如皮肤上的循环分子。此外，CB-HMI还具备物理传感器和相关算法，可以同时获取用户的心率、血氧水平和指纹细节模式。通过CB-HMI，可以升级常见的周围物体，创造出交互式解决方案，例如车辆激活系统和药物分配系统。集成的CB-HMI在提供服务之前独特地启用了用户生物认证，基于用户的生物状态和身份进行识别和加密/解密操作。利用CB-HMI和其他智能HMI的生物感知水平，可以深入了解个人的心理生理状态和需求。

    方法

本研究开发了一种专门用于酶测乙醇的电流型TH传感器和一种无干扰伏安型TH传感器，用于针对对乙酰氨基酚(APAP，一种广泛使用的镇痛药物)进行靶向检测。所设计的伏安TH传感方法可以广泛检测电活性的生物标志物，尤其是在存在非靶向干扰电活性物质的情况下，可以用于检测多种药物。发达的生物分析能力和生理学研究的发现为设计基于触摸的加密生物HMI (CB-HMI；图1A)能够将用户基于触摸的输入转换为加密的生化、生物物理和生物特征指数。为了设计CB-HMI，将每个已开发的TH传感器与光体积脉搏波(PPG)传感器和指纹扫描仪集成在一个统一的平台内，允许获得额外的生物输。为了实现无缝和多模态传感器信号采集和数据处理，利用专用的信号调理电路和推理/加密算法增强了传感器读数，形成了完整的HMI解决方案。利用其生物感知/解释功能，CB-HMI可以集成到周围的物体中，以智能和交互的方式确定并为每个用户提供适当的行动方案(图1B)。为此，本研究将设计的CB-HMI应用于两个具有代表性的场景:驾驶安全和用药，其中使用开发的乙醇和APAP TH传感器分别获取相关的生化指标。因此，本研究展示了一个车辆激活系统和一个药物分配系统，其中集成的CB-HMI在提供预期服务之前独特地启用了用户生物认证(基于用户的生物状态和身份)。这些演示的应用说明了CB-HMI在升级周围物体以达到前所未有的生物感知水平方面的能力。最终，CB-HMI和其他HMI的无处不在的集成/部署将创造智能环境——配备对个人心理生理状态和需求的深刻和全面的认识——可以积极地帮助用户有效地达到最佳结果(图1C)。

▲图1. 通过CB-HMI实现生物感知和解读。(A) 用户触摸输入转化为生物输入的示意图。(右) CB-HMI的分解视图，包括TH传感器组件和相应的信号解读框架。(B) CB-HMI的操作工作流程，包括反馈机制的增强。(C) 概念示意图，展示装备有CB-HMI和传统HMI（如触摸板和摄像头）的物体生态系统形成一个智能环境。

    结果

为了验证本研究的智能环境模型，进行了有限元分析，模拟了分析物的传输行为(使用COMSOL软件)。本研究主要模拟了不同水平的分析物通量输入的分析物浓度剖面(在水凝胶层内)。如图2A所示，对于给定的输入通量，经过一段初始滞后时间后，传感表面附近的分析物浓度随时间线性增加。每种情况下观测到的斜率与输入通量成正比(图2B)。并进一步扩展了模拟，以捕获水凝胶厚度对TH传感性能的影响。如图2C所示，更薄的水凝胶导致时间滞后减少，传感器上的通量增强，这与从模型模拟中得出的结论一致。在这些结果的指导下，在TH传感器制造工作中，特别减少了水凝胶层，以提高传感器的性能。

▲图2. TH传感信号解读框架的开发与验证。(A-C) TH内分析物浓度模拟。(A) 典型输入通量下，传感器表面附近的分析物浓度的模拟时间曲线图。。(B) 模拟的传感器表面分析物通量与表皮分析物通量的关系，呈线性关系。(C) TH传输滞后时间和传感器表面分析物通量与水凝胶厚度的关系，表明使用较薄的水凝胶时，TH传感器性能更佳（减小的滞后时间和增强的传感器表面通量）。(D) 人造指尖的分解视图。(E) 通过微流控人造指尖进行TH传感器的离线表征。(F和G) 乙醇TH传感器（F）和APAP TH传感器（G）的顶视照片和反应示意图。WE、CE和RE分别代表工作电极、对电极和参比电极。(H) 乙醇TH传感器与含乙醇人造指尖接触时的安培计记录。(I) 乙醇TH传感器在变化的按压力程时的安培计记录。(上) 施加的压力曲线。(中和下) 测得的TH传感器对含有0和2 mM乙醇的输入液体的响应图。

用于TH传感器、信号解释框架表征和经验验证的微流控人工指尖的开发

为了验证所提出的模型并在非原位环境中表征随后开发的TH传感器，创建了一个微流体人工指尖，模拟了通过自然汗液在指尖上的分析物通量(图2 D和E)。这种设置对于表征TH传感器对分析物相关参数(例如浓度和质量传输递送率)和CB - HMI特定影响因素(例如指尖机械接触力)的响应特别有用。所开发的人工指尖包括:一个微流体室、压力调节层和激光图像化孔层。

用于表皮生物传感的TH传感器的研制及非原位表征

为了构建乙醇TH传感器的底层传感表面(图2F)，使用了一种不含介质的电酶传感方法，不易受到离子干扰。此外，为了构建APAP TH传感器的底层传感表面(图2G)，利用了一种表面工程技术，该技术允许创建一个“未扭曲的电位窗口”，在该窗口内，目标分析物的伏安响应成为主导，干扰被消除。

在连续记录传感器响应的同时，在人工指尖上放置不同的重量来模拟不同的按压强度。如图2I所示，当安装称重的人造指尖与TH传感器接触时，最初观察到电流跳变，但安装额外的重量并没有显著改变传感器的响应。因此，在本研究中，主要关注于调节分析物浓度，同时将输入流量固定在生理相关范围内。

▲图3. TH传感器的体外和体内表征。(A-D) 使用人造指尖装置进行体外TH传感器表征。(A) 乙醇TH传感器对含有不同乙醇浓度的输入液体（0, 2, 4, 6, 8和10 mM，均在与人造指尖接触后）的安培计响应。(B) 乙醇TH传感器的校准曲线。(C) APAP TH传感器在引入不同APAP浓度的输入液体后3分钟的差分脉冲伏安图。(D) APAP TH传感器的校准曲线。(E-J) 通过人体实验对TH传感器进行体内表征。(E和F) 从受试者的食指（t = 0 s时）捕捉到的和线性拟合的乙醇TH传感器读数，分别在饮用含酒精饮料（约100 mL，酒精浓度12.5%）前（E）和60分钟后（F）进行。(G) 乙醇TH传感器信号的时间曲线与同时测定的血液酒精浓度。(H和I) 从受试者的食指捕捉到的和基线拟合的APAP TH传感器读数，分别在服用基于APAP的药物前（H）和60分钟后（I）进行。(J) APAP TH传感器信号的时间曲线，与同时采样的唾液中APAP浓度的测量结果。

通过试验，图3A显示了乙醇TH传感器的实时安培读数，其中观察到的斜率与输入浓度呈线性关系。图3B给出了基于实测斜率构建的相应校准曲线。为了表征APAP TH传感器，捕获了APAP浓度范围为0至80 μM(图3 C)。图3D显示了输入APAP浓度与提取信号之间的高度线性关系。

在这些非原位传感器表征结果的基础上，通过进行人体受试者研究验证了TH传感器的原位表皮检测能力(图3 E-J)。特别使用了乙醇TH传感器来评估传感器是否能够区分两种状态:没有酒精摄入与最近摄入酒精饮料。在这种情况下，将信号S定义为指尖接触后10到30秒之间传感器安培学输出的斜率，其中包括分析物传输滞后时间、瞬态接触引起的中断和传感器响应时间的沉淀。实验结果如图3E和F所示，乙醇TH传感器能够区分进气前后的事件，从进气前测量的接近于零的电流斜率和进气后测量的相对陡峭的正斜率可以看出。

此外，采用类似的研究框架来评估APAP TH传感器的原位检测能力。图3 H和图1显示了APAP TH传感器在服用基于APAP的药物(含650 mg APAP)前10分钟和后60分钟测得的相应伏安图。TH传感器研究的结果支持无介质电酶传感和无干扰电活性传感方法的适用性。为了跟踪分子的循环特征，进行了标准化的代理测量:使用酒精呼气分析仪估计血液酒精含量(BAC)，并使用质谱法分析唾液APAP。如图3 G和图J所示，TH传感器捕获的目标分子的时间谱与分子的循环谱密切相关。

基于CB - HMI的车载安全系统的开发与应用

为了展示其在车辆环境中的实用性，首先将CB-HMI集成在方向盘上，形成一个车载交互系统，以提高驾驶安全性(图4A和B)。为了验证所开发的车载交互系统的生物认证功能，对该系统进行了三种假设场景的测试。在每种情况下，手指按压乙醇读数后，CB-HMI将获取PPG读数和指纹读数，并通过LCD将反馈信息传达给用户。图4 C-E显示了输入状态和原始和解释的生物输入(由集成模块记录和处理)，以及为每个场景生成的反馈。在第一种情况下(图4C)，虽然没有检测到受试者体内存在酒精，由于查询指纹与车主模板不匹配，激活请求被拒绝。在第二种情况下(图4D)，由于检测到酒精存在，激活请求被拒绝在驾驶员循环系统中(尽管车主身份验证)。在最后一种情况下(图4E)，获得了生物特征匹配和不含酒精的读数，并验证生物识别入口的活动性，从而授予车辆激活请求。对于所有这些情况，系统成功地获取和解释了相关的生物输入，并正确地识别和传达了预期的行动过程。

▲图4. 能够实现车内安全系统的CB-HMI。(A) 车内系统的操作工作流程。(B) 安装在方向盘上的车内系统的光学图像，展示设想的设置。(C-E) 在三个假设场景中验证系统功能：非车主/无饮酒 (C), 近期饮酒的车主 (D, 在指尖进入系统之前的1小时，饮用含有12.5%酒精的约100 mL饮料), 无饮酒的车主 (E)。对于每个场景，(i) 原始和经过处理的乙醇TH传感器读数（在 t = 0 s时指尖进入系统）；(ii) PPG传感器读数（红外和红色通道）；(iii) 相应模板和查询指纹的相对坐标和本地脊线方向的绘图；以及 (iv) 通过LCD向用户提供视觉反馈，显示受试者的酒精状态、得出的心率和氧饱和水平（SpO2）信息以及验证生物身份的状态。N.D.表示未检测到酒精。

    基于CB - HMI的配药机器人系统的开发与应用

为了演示CB-HMI的多功能性及其在帮助用户进行药物治疗方案方面的效用，本研究将CB-HMI集成到定制的药盒中，以实现前所未有的加密/智能配药机器人系统(图5A和B)。该系统感知用户的生物指标，包括用药水平(这里是APAP，使用APAP TH传感器)、指纹、HR和SpO2，对用户进行生物认证(用于配药)，验证药物摄入量，并更新个人电子健康记录。

图5 C和D展示了开发的系统在两个代表性病例中的生物认证功能:一个是受试者最近没有摄入APAP(24小时)，另一个是同一受试者但最近摄入APAP(1小时)。在第一个病例中，由于检测到APAP存在相对较高的水平(图5C)。在第二种情况下，因为没有/很少循环药物检测到(图5D)，药物请求被批准，触发机械臂自动递送单个药丸。

为了演示所开发系统的所有启用功能，应用该系统帮助用户按照常规APAP给药计划(每6小时650毫克)给药。图5E显示了与获得的生物输入相关的每个条目的衍生状态，由于检测到存在相对较高水平的APAP而被拒绝的药物请求(与用户的APAP摄入历史一致)，批准的药物请求随后自动给药，以及成功的摄入验证。对于每个条目，获得的生物输入在原位进行生物特征加密，加密过程描述如图5F所示。在一天结束时，根据用户的请求——只需通过指尖输入——所有存储的加密电子医疗记录都被成功检索和解密，以呈现获得的生物指数的纵向剖面。

▲图5. CB-HMI驱动的药物分发机器人系统。(A) 药物分发机器人系统的操作工作流程。(B) 完全集成的药物分发系统的光学图像，包括CB-HMI、药物分发机械臂、药物存储隔室和液晶显示屏。(C和D) 基于食指指尖输入的原始和经过处理的APAP TH传感器读数，以及对两种情况的系统响应：近期摄入APAP的受试者 (C, 1小时，650 mg APAP) 和无APAP摄入的受试者 (D)。N.D.表示未检测到APAP。(E) 通过三次指数指尖进入的获取的生物输入和相应的状态，分别是t = 0, +5和+6小时。右下角的子图列出了加密解析后在一天结束时的生物输入和药物摄入状态。(F) 第二次进入的加密过程，说明了使用获取的生物输入生成嵌入秘密的多项式、基于提取的细节点特征生成生物特征密钥，以及构建保险库的真实点和混淆点。

    结论

本研究设计了一种名为CB-HMI的交互式接口模式，它具有内置加密多模态生物感知和解释功能。CB-HMI使用TH传感接口和信号解释框架，可以无创测量人体生物生化指标。该接口还配备了物理传感器，如心率和血氧传感器，以获取用户的生物物理和生物特征指数。通过整合相关的数据采集和处理模块，CB-HMI可以提供完整的生物感知和解释功能。

    展望

CB-HMI的应用领域广泛，可以用于药物依从性监测、酒后驾驶检测等。它可以绕过现有传感器技术的限制，并通过生物认证和药物摄入验证功能提高药物依从性监测解决方案的可靠性。其他功能还包括记录用户报告的症状、提醒剂量到期/过期等。

为了在实际环境中部署CB-HMI，需要进行大规模临床研究来考虑各种混杂因素的影响，并采取必要的工程解决方案和机器学习算法来减轻影响。辅助传感器和数据融合算法的使用可以改善测量标准化和个体间变异性的解释。此外，CB-HMI具有内置的数据加密功能，可确保个人信息的安全性，并支持去中心化的生物数据收集和处理。

随着CB-HMI和其他HMI类型的发展，以及与智能系统的融合，人类将能够更全面地了解个体的心理生理状态和需求，从而创建交互式和自适应的环境，帮助用户达到最佳结果。

来源：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2201937119

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