一张“会说话”的皮肤?基础疾病患者的健康监测神器

2021
03/05

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黄子江(编译) / 健康界
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这一新技术造福大量基础疾病患者。

日前,加利福尼亚大学圣地亚哥分校(UCSD)的工程师们开发出了一款柔软而有弹性的皮肤贴片。将它贴在脖子上,就可以连续监测佩戴者的血压和心率,同时测量葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因的含量。据介绍,这是第一台能够同时监测心血管指标和人体多项生化水平的可穿戴设备。

该校纳米工程学博士Lu Yin说:“这种可穿戴设备将有助于患有基础疾病的人定期监测身体健康。它还可以作为远程监测患者状况的工具,尤其是在疫情期间人们不方便前往医院时。” 这项研究于2月15日发表在《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)上。

造福大量人群

高血压和糖尿病患者可以从这款设备中受益,他们一旦感染新冠病毒后转为重症的风险较高。这款设备也可用于监测败血症,其发病特征是血压突然下降,伴随乳酸水平的快速上升。

这个柔软的皮肤贴片还能为重症监护病人和新生儿重症监护室里的婴儿提供便利,他们需要持续监测血压和其他生命体征。目前,要实现生命体征监测还需要将导管插入患者动脉深处,并连接到多台监护仪上。

“这款可穿戴设备的新颖之处在于采用了完全不同的传感器,并将它们集成在邮票大小的贴片上,”UCSD纳米工程学教授Joseph Wang说,“通过这种可穿戴设备,能以非侵入式的方式收集大量数据,不会干扰日常活动或引起不适。”

Joseph Wang的实验室一直致力于开发可穿戴设备,而在UCSD教授Sheng Xu的实验室中,研究人员一直在开发柔软且有弹性的电子皮肤贴片。经过共同努力,他们共同研发出了首款可拉伸的可穿戴设备,能将化学传感与血压监测相结合。

Sheng Xu说:“每个传感器都提供了物理或化学变化的单独图像,通过整合到同一个可穿戴贴片中,我们可以更全面地了解人体发生的变化。”

多功能的贴片

新设备所采用的贴片是一种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。

该贴片能够同时测量三个参数,每个传感器一个:血压,血糖以及乳酸、酒精和咖啡因三者中的一项。理论上贴片可以同时检测上述所有指标,但这需要不同的传感器设计。

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将超声波传送到体内,当超声波从动脉回传时,传感器可以检测到信号并转换为血压读数。

化学传感器则是两个电极,由导电油墨丝网印在贴片上。贴片的右侧印有可检测乳酸、咖啡因和酒精的电极,其工作原理是将一种称为毛果芸香碱的药物释放到皮肤中诱导出汗,并检测汗液中的化学物质;另一个感应血糖的电极印在左侧,其工作原理是以温和的电流通过皮肤以释放组织液,并测量其中的葡萄糖。

图片来源:UCSD官网

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Juliane Sempionatto说:“我们选择的参数能让我们更准确地得到可靠的血压测量结果。”

“比方说,您在监测血压的过程中发现白天出现了峰值,以为身体出了问题。但生物标志物的读数可以说明这些峰值可能是由摄入酒精或咖啡因引起的,这些传感器的组合能为您提供这类信息。”她说。

在试验中,志愿者们被要求在执行下列任务时都戴着贴片:在固定自行车上锻炼;吃高糖餐;喝酒精饮料;喝含咖啡因的饮料。贴片的测量值与商业监测设备(如袖带式血压计、血乳酸计、血糖仪和呼吸分析仪)采集的数值非常温和。通过测量实验室中掺入咖啡因的汗液样本,也验证了佩戴者咖啡因水平的测量值是可靠的。

制作上的挑战

制作这种贴片的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,1厘米的间距可以解决这一问题。

研究人员还必须弄清楚如何物理区隔化学传感器和血压传感器。后者通常配备有液体超声波凝胶,以便显示清晰的读数。但化学传感器也有自己的水凝胶,如果血压传感器中流出的液体凝胶流出与其他凝胶接触,会造成传感器之间互相干扰。因此,研究人员使用了一种固体超声波凝胶,他们发现这种凝胶与液体凝胶一样有效,而且不会泄漏。

图片来源:UCSD官网

纳米工程博士Muyang Lin说:“找到正确的材料、优化整体布局、无缝集成不同的传感器,我们克服这些困难花了很长时间。很幸运能够完成这个项目,真是太有趣了。”

目前,该团队已经在开发这款可穿戴设备的新版本,其中包含更多的传感器。为了提高设备的临床价值,下一步,团队还将进一步监测与各种疾病有关的其他生物标志物。

团队正在进行的工作还包括缩小血压传感器的电子元件。现在,传感器需要连接电源和台式机来显示读数。未来迭代的目标是将这些功能都集成在贴片上,且能实现无线连接。

原文来源:SciTechDaily

原文标题:Wearable, All-in-One Health Monitor: New Skin Patch Continuously Tracks Cardiovascular Signals and Biochemical Levels

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关键词:
可穿戴设备,糖尿病,高血压,传感器,纳米工程

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