近年來(lái)，可穿戴傳感器與遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)和精確醫(yī)療等概念交織在一起，它們能提供主動(dòng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)生理參數(shù)的功能，可以連續(xù)產(chǎn)生健康數(shù)據(jù)，增強(qiáng)佩戴者的自我監(jiān)測(cè)依從性和護(hù)理質(zhì)量。
使用無(wú)創(chuàng)可穿戴傳感器監(jiān)測(cè)單個(gè)物理參數(shù)，在市面上已有不少產(chǎn)品應(yīng)用，如心電圖、血壓（BP）以及生化參數(shù)，如血糖等，同時(shí)業(yè)界也在探索多傳感器結(jié)合方案，例如將心電圖電極與乳酸或葡萄糖傳感器相結(jié)合，就能監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的心血管表現(xiàn)、新陳代謝、電解質(zhì)平衡或體溫。
然而，使用集成的混合可穿戴傳感器對(duì)心血管參數(shù)，特別是對(duì)血壓與生物標(biāo)志物水平的相關(guān)性進(jìn)行深入研究仍然沒有得到進(jìn)一步探索。
今天，來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們開發(fā)了一種柔軟、有彈性的皮膚貼片，它可以貼在脖子上，在測(cè)量佩戴者的葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因水平的同時(shí)，持續(xù)跟蹤血壓和心率。
將貼片貼在脖子上可提供最佳讀數(shù)（來(lái)源：UC San Diego）
這是第一款能同時(shí)監(jiān)測(cè)心血管信號(hào)和人體多種生化水平的可穿戴設(shè)備，該研究成果于 2 月 16 日發(fā)表在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）上，通過集成的可穿戴設(shè)備進(jìn)行連續(xù)、同步的聲學(xué)和電化學(xué)傳感，人們將對(duì)人體日常活動(dòng)反應(yīng)有更豐富的理解。
這種神奇貼片將非常有助于有潛在疾病的人定期監(jiān)測(cè)自己的健康狀況，還將成為遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)的一種很好的工具，特別是在 COVID-19 大流行期間，當(dāng)人們盡量減少親自到診所就診的情況下。
加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授、該研究的合著者 Joseph Wang 表示：“新穎之處在于，我們采用了完全不同的傳感器，并將它們合并到一個(gè)像郵票一樣小的平臺(tái)上。這款可穿戴設(shè)備能以非侵入性的方式收集大量健康信息，而不會(huì)造成不適或日常活動(dòng)中斷。”
市場(chǎng)需求很突出
心率（HR）和血壓（BP）是人體最重要的兩個(gè)生命體征，能動(dòng)態(tài)、直接地反映人體的生理狀態(tài)。這些心血管參數(shù)可能受到各種生物標(biāo)志物濃度波動(dòng)的影響，比如運(yùn)動(dòng)、壓力或食物、飲料和藥物的攝入等，這些活動(dòng)可能導(dǎo)致突發(fā)的、甚至致命的身體征兆。
因此，同時(shí)應(yīng)用血壓、化學(xué)傳感可能具有臨床價(jià)值，特別是對(duì)于有潛在健康隱患的人，如老年人、肥胖者或受糖尿病和心血管疾病影響的人，因?yàn)樗麄儗?duì)正常日常活動(dòng)或飲食的生理反應(yīng)最為明顯。
同時(shí)監(jiān)測(cè)心血管參數(shù)和生物標(biāo)志物水平還能對(duì)許多疾病的預(yù)防、診斷和治療都有很大的幫助。
例如急性和致命的敗血性休克，通常包括血壓突然下降伴隨血乳酸水平迅速升高，以及低血糖或高血糖引起的低血壓或高血壓，這會(huì)增加糖尿病患者中風(fēng)、心臟病、視網(wǎng)膜病和腎病的風(fēng)險(xiǎn)。
使用一個(gè)可穿戴設(shè)備跟蹤代謝物和血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以提高患者的自我監(jiān)測(cè)能力，因?yàn)樗?jiǎn)化了使用多種設(shè)備測(cè)量這些參數(shù)的復(fù)雜過程，從而間接預(yù)防危險(xiǎn)的心臟病事件和挽救生命。
另外，將多種傳感模式組合成一個(gè)小型化的皮膚適形可穿戴設(shè)備也有額外的優(yōu)勢(shì)。
例如，危重病和早產(chǎn)兒需要持續(xù)監(jiān)測(cè)各種身體狀況，從低血糖和敗血癥樣感染到心臟直視手術(shù)，需要持續(xù)監(jiān)測(cè)血壓和乳酸或葡萄糖水平。目前可用的新生兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)需要在他們微小的身體上應(yīng)用多個(gè)，通常是侵入性的傳感器，涉及將導(dǎo)管插入患者動(dòng)脈深處，并將患者束縛到多臺(tái)醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀上，這些傳感器與笨重的儀器連接在一起，對(duì)父母和嬰兒來(lái)說(shuō)都是一種痛苦的方式。
而通過將不同的傳感方式集成到一個(gè)柔軟的、皮膚上的貼片時(shí)，從新生兒到老年的易受傷害的患者就能方便地進(jìn)行檢測(cè)，而不會(huì)有任何不適或痛苦的情況。
神奇的皮膚傳感器貼片
這種新穎的傳感器貼片是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室跨學(xué)科的產(chǎn)物，由加州大學(xué)圣地亞哥可穿戴傳感器中心和加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程教授徐升的實(shí)驗(yàn)室合作完成。
Joseph Wang 兼任加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系主任和可穿戴傳感器中心，他一直致力于開發(fā)新型納米生物電子學(xué)和傳感技術(shù)，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)人體內(nèi)的多種信號(hào)——化學(xué)、物理和電生理。而徐升的實(shí)驗(yàn)室一直在開發(fā)柔軟、有彈性的電子皮膚貼片，可以監(jiān)測(cè)身體深處的血壓。
通過聯(lián)手，研究人員們得以創(chuàng)造了第一個(gè)靈活、可伸縮的皮膚貼片，并結(jié)合了化學(xué)傳感（葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因）和血壓監(jiān)測(cè)。
可拉伸集成BP-化學(xué)傳感貼片的設(shè)計(jì)和機(jī)理（來(lái)源：Nature Biomedical Engineering）
其中血壓傳感器位于貼片中心附近。它由一組小型超聲換能器組成，這些換能器通過導(dǎo)電油墨印刷到貼片上。施加在換能器上的電壓使換能器向人體發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波從動(dòng)脈反彈時(shí)，傳感器檢測(cè)到回聲并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為血壓讀數(shù)。
化學(xué)傳感器是兩個(gè)電極，由導(dǎo)電油墨絲網(wǎng)印刷在貼片上。感應(yīng)乳酸、咖啡因和酒精的電極印在貼片的右側(cè)；其工作原理是將一種名為毛果蕓香堿的藥物釋放到皮膚中誘發(fā)出汗，并檢測(cè)出汗中的化學(xué)物質(zhì)。另一個(gè)感應(yīng)葡萄糖的電極印在左側(cè)，它的工作原理是一個(gè)溫和的電流通過皮膚釋放間質(zhì)液體，并測(cè)量液體中的葡萄糖。
從工程難度來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)在于制成一個(gè)具有高機(jī)械彈性和無(wú)傳感器串?dāng)_的可穿戴共形傳感器。
通過戰(zhàn)略性的材料選擇、布局設(shè)計(jì)和制造工程，研究人員集成了剛性和軟測(cè)量組件，即定制的壓電鋯鈦酸鉛（PZT）超聲換能器和印刷聚合物復(fù)合材料，并創(chuàng)新溶劑焊接工藝最終加工而成。這種設(shè)計(jì)克服了與不同傳感模式和材料的整合相關(guān)的工程挑戰(zhàn)，以允許實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心血管參數(shù)和生物標(biāo)記物水平，并與間質(zhì)液（ISF）和汗液生物流體的平行取樣相關(guān)。
首先，消除傳感器信號(hào)之間的相互干擾。研究人員必須找出血壓傳感器和化學(xué)傳感器之間的最佳間距。
因?yàn)槁晜鞲衅鞯男盘?hào)產(chǎn)生依賴于高壓和高頻脈沖，這些脈沖可能導(dǎo)致化學(xué)傳感器中的信號(hào)漂移，而IP提取、恒電位傳感和電位掃描傳感也可能導(dǎo)致聲信號(hào)中的噪聲。最終他們發(fā)現(xiàn)，一厘米的間距在保持裝置盡可能小的同時(shí)起到了降低干擾的作用。
研究人員還必須弄清楚如何在物理上屏蔽化學(xué)傳感器和血壓傳感器互相串?dāng)_。后者通常配備有液體超聲凝膠，以便產(chǎn)生清晰的讀數(shù)。但化學(xué)傳感器也配備了自己的水凝膠，問題是，如果任何液體凝膠從血壓傳感器流出，并與其他凝膠接觸，將導(dǎo)致傳感器之間的干擾。
在這里，研究人員通過在空間上分離兩種成分并使用固態(tài)超聲和傳感水凝膠層來(lái)防止聲學(xué)和電化學(xué)傳感器之間的信號(hào)串?dāng)_，他們使用了一種固體超聲波凝膠，他們發(fā)現(xiàn)這種凝膠和液體凝膠一樣有效，但沒有泄漏的弊端。
圖｜傳感器可拉伸效果（來(lái)源：Nature Biomedical Engineering）
其次，搞定機(jī)械性能。在日常生活中，當(dāng)皮膚貼片預(yù)期拉伸變形時(shí)，機(jī)械穩(wěn)定性是決定皮膚貼片傳感器可靠性的另一個(gè)關(guān)鍵因素。
化學(xué)傳感器的阻抗和 PZT 超聲傳感器的接觸電阻可能隨著施加在貼片上的應(yīng)變力而變化，從而導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的變化，影響器件的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性。
研究人員通過開發(fā)了一種基于 SEBS 基材料快速溶解和室溫固化的溶劑釬焊工藝，實(shí)現(xiàn)了 PZT 接觸件在機(jī)械應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性。在組裝過程中，PZT 傳感器可以快速安裝并粘合到 SEBS 基板上，并通過用甲苯潤(rùn)濕電極表面連接到 SEBS 基可拉伸油墨上，與先前的報(bào)告相比，組裝效率得到了一定的提升。
該裝置在轉(zhuǎn)移到人體后也表現(xiàn)出良好的機(jī)械彈性，在 20% 的主動(dòng)拉伸變形期間，還進(jìn)行了機(jī)械回彈試驗(yàn)，其中電化學(xué)傳感器在兩個(gè)方向（水平和垂直）拉伸時(shí)在體外進(jìn)行評(píng)估，血壓裝置在將頸部轉(zhuǎn)向一側(cè) 90° 時(shí)捕獲血壓信號(hào)時(shí)進(jìn)行評(píng)估。
在 100 個(gè)拉伸周期期間或之后，數(shù)據(jù)波形無(wú)變化，結(jié)果表明印刷復(fù)合材料不受機(jī)械變形的影響，其中壓電換能器在應(yīng)用于頸部時(shí)與頸動(dòng)脈對(duì)齊，能獲得最佳超聲信號(hào)。
具有血壓和生化成分監(jiān)測(cè)功能的多合一貼片（來(lái)源：UC San Diego）
測(cè)量效果如何？
通過該設(shè)備對(duì)動(dòng)態(tài)心血管參數(shù)和生物標(biāo)記物濃度的監(jiān)測(cè)，可以評(píng)估日常活動(dòng)對(duì)個(gè)體生理狀態(tài)的影響，并持續(xù)收集關(guān)于用戶對(duì)這些日常活動(dòng)的反應(yīng)數(shù)據(jù)。
人體內(nèi)乳酸、葡萄糖、酒精和咖啡因的水平會(huì)因日常活動(dòng)而波動(dòng)，此外，這些水平對(duì)血壓的影響也會(huì)因個(gè)人的身體狀況而異。
例如在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)期間，由于代謝壓力，血液和汗液中的乳酸水平會(huì)增加，心率升高以滿足肌肉對(duì)氧氣的需求，而血壓升高是由于一氧化氮等血管舒張介質(zhì)的可用性增加。
為了研究這些影響，幾名志愿者被要求在固定水平上進(jìn)行 30 分鐘的腳踏車運(yùn)動(dòng)，然后休息 5 分鐘。在運(yùn)動(dòng)前后刺激出汗時(shí)記錄血壓以測(cè)量乳酸，并使用商用袖帶式血壓計(jì)和血乳酸計(jì)驗(yàn)證獲得的血壓和乳酸水平數(shù)據(jù)，從該裝置收集的血壓和汗液乳酸數(shù)據(jù)與其他成熟驗(yàn)證方法和商業(yè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果一致。
不同情況下的身體健康參數(shù)檢測(cè)效果（來(lái)源：Nature Biomedical Engineering）
作為另一種常見的不健康刺激，過量的酒精攝入已被證明通過酒精引起的低血壓和高血壓增加心血管風(fēng)險(xiǎn)。
通過這種貼片傳感器發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大量飲酒的人來(lái)說(shuō)，早晨可能會(huì)有相當(dāng)大的血壓飆升，這會(huì)大大增加中風(fēng)的風(fēng)險(xiǎn)，非重度飲酒者攝入單一酒精飲料可導(dǎo)致暫時(shí)性血壓升高，同時(shí)，該傳感器允許可靠地檢測(cè)汗液中的酒精，因?yàn)檫@種極性小分子可以在汗液中被發(fā)現(xiàn)。
然后，研究人員還在現(xiàn)實(shí)生活場(chǎng)景中評(píng)估了該貼片的性能，人們通常會(huì)經(jīng)歷多種活動(dòng)，這些活動(dòng)可能對(duì)身體的生理反應(yīng)產(chǎn)生協(xié)同或抵消作用。一個(gè)常見的對(duì)血糖水平有抵消作用的例子是運(yùn)動(dòng)和食物攝入，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過程中葡萄糖可以很快被消耗，產(chǎn)生能量。正如先前的單一刺激測(cè)試所顯示的那樣，運(yùn)動(dòng)也會(huì)增加個(gè)體的血壓和乳酸水平。
結(jié)果顯示，該貼片傳感器能夠捕捉由同時(shí)的食物和運(yùn)動(dòng)刺激產(chǎn)生的復(fù)雜生理變化過程，包括消化食物以產(chǎn)生葡萄糖作為儲(chǔ)能器，糖酵解反應(yīng)消耗葡萄糖和氧氣以釋放能量，血壓和心率的增加彌補(bǔ)了低氧運(yùn)動(dòng)時(shí)氧耗和乳酸生成的不足。
這種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程需要混合傳感器連續(xù)工作，以捕捉整個(gè)活動(dòng)過程中的實(shí)時(shí)波動(dòng)，該傳感器長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)生物標(biāo)志物和血壓波動(dòng)在體力活動(dòng)中的聯(lián)系也得到了證實(shí)。
下一步展望
在論文中，這種多模式可穿戴技術(shù)被證明有助于將日常活動(dòng)（如運(yùn)動(dòng)、飲酒和進(jìn)食）與血壓、心率和生物標(biāo)志物水平的變化聯(lián)系起來(lái)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了在單一適形可穿戴貼片上開發(fā)混合可穿戴傳感器的可能性，該傳感器具有化學(xué)和物理傳感器的復(fù)雜集成，能用于同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)相關(guān)參數(shù)。只有明智地選擇材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)工程和考慮高通量制造工藝，才能實(shí)現(xiàn)可靠和全面的表皮傳感器集成。
雖然該集成裝置顯示出吸引人的特點(diǎn)，但在血壓、心率和代謝物的測(cè)量方面仍有很多改進(jìn)的機(jī)會(huì)。例如，集成貼片依賴于毛果蕓香堿對(duì)汗液的刺激；對(duì)大量不同健康狀況的個(gè)體進(jìn)行廣泛驗(yàn)證，包括糖尿病和心血管疾病患者；通過開發(fā)具有集成超聲波和多恒電位功能的電子設(shè)備，以及信號(hào)處理和無(wú)線傳輸功能，使設(shè)備完全小型化。
研究人員表示，未來(lái)還將致力于開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的聲學(xué)傳感接口電路，再加上人工智能輔助信號(hào)處理，將把現(xiàn)有設(shè)備完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)全面的皮膚傳感系統(tǒng)，使該設(shè)備能夠深入了解個(gè)人在預(yù)防和管理慢性病方面的健康和生理狀態(tài)。
該設(shè)備的問世代表著科學(xué)家朝著多模態(tài)可穿戴傳感器邁出的第一步，通過融合聲學(xué)和電化學(xué)傳感器，用于更全面地監(jiān)測(cè)人體生理和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程健康轉(zhuǎn)型。皮膚共形傳感貼片，為下一代可穿戴設(shè)備的發(fā)展開辟了新路徑。