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新型多功能皮肤贴片:可测量血压、心率、葡萄糖、乳酸、酒精、咖啡因水平

Winnie Lee

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加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)的工程师们开发了一种柔软、有弹性的皮肤贴片,可以戴在脖子上,持续跟踪血压和心率,同时测量佩戴者的葡萄糖水平、乳酸水平、酒精水平或咖啡因水平。

它是第一款能够同时监测人体心血管信号和多种生化水平的可穿戴设备。

“这种类型的可穿戴设备将非常有助于有潜在医疗状况的人定期监测自己的健康状况,”Lu Yin说,他是加州大学圣地亚哥分校的纳米工程博士生,也是2月15日发表在《自然生物医学工程》上的研究的第一作者之一。

“它还将成为远程患者监测的重要工具,特别是在COVID-19大流行期间,人们正在尽量减少亲自到诊所就诊。”

这种设备可以造福于高血压和糖尿病患者,这些人也有可能因COVID-19患上严重疾病。

也可用于检测脓毒症的发病,脓毒症的特点是血压突然下降,乳酸水平迅速升高。

一种柔软的皮肤贴片就能做到这一切,这也将为重症监护病房的病人,包括重症监护室的婴儿,提供一种方便的选择,因为他们需要持续监测血压和其他生命体征。

目前,这些手术包括将导管插入患者动脉深处,并将患者栓在多个医院监测器上。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、该研究的联合通讯作者Joseph Wang说:“这项研究的新颖之处在于,我们采用了完全不同的传感器,并将它们融合在一个邮票那么小的单一平台上。”

“通过这款可穿戴设备,我们可以以一种非侵入性的方式收集大量信息,不会造成不适,也不会干扰日常活动。”

这款新补丁是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心(UC San Diego Center for Wearable Sensors)两项开创性工作的成果,Wang担任该中心主任。

Wang的实验室一直在开发能够同时监测人体多种信号的可穿戴设备,包括化学、物理和电生理信号。

在加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Xu Sheng的实验室里,研究人员一直在开发柔软、有弹性的电子皮肤贴片,它可以监测人体深处的血压。

通过通力合作,研究人员创造了首个将化学传感(葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因)与血压监测结合在一起的灵活、可伸缩的可穿戴设备。

“每个传感器都提供物理或化学变化的单独图像。将它们整合到一个可穿戴的贴片中,我们就可以将不同的图像缝合在一起,从而更全面地了解我们身体的情况。”Xu说,他也是该研究的联合通讯作者。

这种贴片是一种能与皮肤相适应的弹性聚合物薄片。

它配备了一个血压传感器和两个化学传感器——一个测量乳酸(体力活动的生物标志物)、咖啡因和酒精水平,另一个测量组织液中的葡萄糖水平。

血压传感器位于贴片的中央。它由一组小型超声波换能器组成,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使其向体内发送超声波。

当超声波从动脉反弹时,传感器检测回声并将信号转换为血压读数。

化学传感器是用导电油墨丝网印刷在贴片上的两个电极。感知乳酸、咖啡因和酒精的电极被打印在贴片的右侧;它通过向皮肤释放一种叫做匹罗卡品的药物来诱导出汗,并检测出汗液中的化学物质。

另一个感应葡萄糖的电极印在左边;它的工作原理是让轻微的电流通过皮肤释放组织液,并测量组织液中的葡萄糖。

研究人员对测量这些特殊的生物标记物很感兴趣,因为它们会影响血压。

“我们选择的参数会给我们一个更准确、更可靠的血压测量,”合作第一作者Juliane Sempionatto说,他是Wang的实验室的纳米工程博士生。

“比方说,你正在监测血压,发现白天血压升高,你就认为出了问题。但生物标志物的读数可以告诉你这些峰值是否由酒精或咖啡因摄入引起。这种传感器组合可以提供这类信息。”

在测试中,受试者在脖子上佩戴贴片,同时进行以下不同组合的任务:在固定自行车上锻炼;吃高糖餐;喝含酒精的饮料;喝含咖啡因的饮料等。

贴片的测量结果与商业监测设备(如血压袖带、血乳酸仪、血糖仪和酒精测试仪)收集的数据非常吻合。

穿戴者的咖啡因含量通过实验室中含有咖啡因的汗液样本来验证。

制作贴片的最大挑战之一是消除传感器信号之间的干扰。

为了做到这一点,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,一厘米的间距就可以做到这一点,同时使设备尽可能小。

研究人员还必须弄清楚如何从物理上保护化学传感器免受血压传感器的影响。后者通常配备一个液体超声波凝胶,以产生清晰的读数。

但是化学传感器也配备了它们自己的水凝胶,问题是如果任何液体凝胶从血压传感器流出并与其他凝胶接触,就会造成传感器之间的干扰。

因此,研究人员转而使用了一种固体超声波凝胶,他们发现这种凝胶的效果和液体凝胶一样好,但没有泄漏。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文链接:

https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210215131226.htm


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