新的皮肤贴片使我们更接近可穿戴的多合一健康监视器

新的皮肤贴片使我们更接近可穿戴的多合一健康监视器
这种柔软,有弹性的贴片可以同时监测穿着者的血压和生化水平

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种柔软而有弹性的皮肤贴片,可以将其戴在脖子上,以连续跟踪血压和心率,同时测量佩戴者的葡萄糖,乳酸,酒精或咖啡因含量。它是第一台可同时监测人体中心血管信号和多种生化水平的可穿戴设备

纳米工程博士Lu Yin说:“这种可穿戴设备对于有基础疾病的人定期监测自己的健康状况非常有帮助。” 该研究的第一作者,研究的共同第一作者于2月15日发表在《自然生物医学工程》上。“它还可以作为远程监控病人的好工具,尤其是在COVID-19大流行期间,当人们将对诊所的亲自拜访减少到最少时。”

这样的设备可以使患有高血压和糖尿病的人受益,这些人也很容易患COVID-19患重病。它也可用于检测败血症的发作,其特征是血压突然下降,伴随乳酸水平迅速升高。

一个可以做到这一点的柔软皮肤贴剂也将为重症监护病房的患者提供方便的替代方法,包括需要持续监测血压和其他生命体征的NICU婴儿。这些程序目前涉及将导管插入患者动脉深处,并将患者拴系到多台医院监护仪上。

研究的共同通讯作者,加州大学圣地亚哥分校的纳米工程学教授约瑟夫·王说:“这里的新颖之处在于我们采用了完全不同的传感器,并将它们融合在一个像邮票一样小的单个小平台上。” “我们可以用这种可穿戴设备收集大量信息,并且以非侵入性方式进行,而不会引起不适或干扰日常活动。”

这个新补丁是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心两次开拓性工作的产物,由Wang担任主任。Wang的实验室一直在开发可穿戴设备,该设备可同时监视体内的多种信号(化学,物理和电生理)。在加州大学圣地亚哥分校圣地亚哥分校纳米工程教授圣旭的实验室中,研究人员一直在开发柔软,有弹性的电子皮肤贴片,可以监测体内深层的血压。通过共同努力,研究人员创造了首个灵活,可拉伸的可穿戴设备,该设备将化学感应(葡萄糖,乳酸,酒精和咖啡因)与血压监测结合在一起。

他说:“每个传感器都提供了有关物理或化学变化的单独图像。将它们全部集成在一个可穿戴的贴片中,使我们可以将这些不同的图像缝合在一起,以更全面地了解人体的变化。”

新的皮肤贴片使我们更接近可穿戴的多合一健康监视器
将贴片戴在脖子上可提供最佳读数。图片来源:加州大学圣地亚哥分校

所有行业的补丁

贴剂是可以适应皮肤的弹性聚合物薄片。它配备了一个血压传感器和两个化学传感器,一个用于测量汗液中乳酸(一种运动强度的生物标志物),咖啡因和酒精的水平,另一个用于测量组织液中葡萄糖的水平。

该贴片能够一次测量三个参数,每个传感器一个:血压,葡萄糖以及乳酸,酒精或咖啡因。“从理论上讲,我们可以同时检测所有这些传感器,但是这将需要不同的传感器设计。” 该实验室的学生Yin表示。

血压传感器位于贴片中心附近。它由一组小型超声换能器组成,这些超声换能器通过导电墨水焊接到贴片上。施加在换能器上的电压使它们将超声波发送到体内。当超声波从动脉反弹时,传感器会检测到回波并将信号转换为血压读数。

化学传感器是两个电极,由导电油墨丝网印刷在贴片上。贴片的右侧印有可检测乳酸,咖啡因和酒精的电极。它的工作原理是将一种称为毛果芸香碱的药物释放到皮肤中以诱导汗液并检测汗液中的化学物质。另一个电极感应葡萄糖,被打印在左侧。它的工作原理是使温和的电流通过皮肤以释放组织液并测量该液中的葡萄糖。

研究人员对测量这些特定的生物标志物很感兴趣,因为它们会影响血压。纳米工程博士学位的第一作者之一朱利安·森皮安纳托(Juliane Sempionatto)说:“我们选择的参数将为我们提供更加准确,可靠的血压测量。王实验室的学生。

“假设您正在监测血压,并且白天看到峰值,并认为出了点问题。但是生物标志物读数可以告诉您这些峰值是否是由于摄入酒精或咖啡因引起的。这种传感器组合可以提供您知道那种信息,”她说。

在测试中,受试者在执行以下各项任务的各种组合时戴着脖子上的贴片:在固定自行车上锻炼;吃高糖餐;喝含酒精的饮料;和喝含咖啡因的饮料。贴片的测量值与商业监测设备(如血压袖带,血乳酸计,血糖仪和呼吸分析仪)收集的测量值非常匹配。通过在实验室中掺入咖啡因的汗液样品的测量值来验证佩戴者咖啡因水平的测量值。

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当前补丁的原型需要连接到台式机和电源。图片来源:加州大学圣地亚哥分校

工程挑战

制作贴片的最大挑战之一是消除传感器信号之间的干扰。为此,研究人员必须找出血压传感器和化学传感器之间的最佳间距。他们发现,在保持设备尽可能小的同时,一厘米的间距确实有效。

研究人员还必须弄清楚如何物理屏蔽化学传感器和血压传感器。后者通常配有液体超声波凝胶,以产生清晰的读数。但是化学传感器也配备有自己的水凝胶,问题是如果血压传感器中的任何液体凝胶流出并与其他凝胶接触,将会在传感器之间造成干扰。因此,研究人员改为使用固体超声波凝胶,他们发现其效果与液体版本一样好,但没有泄漏。

纳米工程博士学位的第一作者,共同第一作者林慕扬说:“找到正确的材料,优化整体布局,将不同的电子设备无缝地集成在一起,这些挑战需要很多时间才能克服。徐的实验室的学生。“我们很幸运能在我们的实验室和Wang教授的实验室之间建立起如此出色的合作。与他们一起开展这个项目真是太有趣了。”

下一步

该团队已经在开发该补丁的新版本,其中包含更多的传感器。Sempionatto说:“有机会监测与各种疾病有关的其他生物标志物。我们正在寻求为这种设备增加更多的临床价值。”

正在进行的工作还包括缩小血压传感器的电子设备。现在,需要将传感器连接到电源和台式机器以显示其读数。最终目标是将所有这些内容都放在补丁上,并使所有内容无线化。

Lin说:“我们希望制作一个完全可穿戴的完整系统。”

本文为作者 黄凯 独立观点,并不代表 我是CIO 立场。

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