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(méi)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(kāi)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(guò)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?；顒?dòng)中斷?！?/p>

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?；顒?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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(méi)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(guò)開(kāi)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(guò)程中，PZT 傳感器可以快速安裝并粘合到 SEBS 基板上，并通過(guò)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(guò)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?；顒?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?；顒?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(jiàn)的不健康刺激，過(guò)量的酒精攝入已被證明通過(guò)酒精引起的低血壓和高血壓增加心血管風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)程需要混合傳感器連續(xù)工作，以捕捉整個(gè)活動(dòng)過(guò)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?；顒?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(kāi)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(guò)開(kāi)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(kāi)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(wèn)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(guò)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(kāi)辟了新路徑。