文 | 學術頭條
近年來，可穿戴傳感器與遠程醫療、醫療物聯網和精確醫療等概念交織在一起，它們能提供主動和遠程監測生理參數的功能，可以連續產生健康數據，增強佩戴者的自我監測依從性和護理質量。
使用無創可穿戴傳感器監測單個物理參數，在市面上已有不少產品應用，如心電圖、血壓（BP）以及生化參數，如血糖等，同時業界也在探索多傳感器結合方案，例如將心電圖電極與乳酸或葡萄糖傳感器相結合，就能監測運動員的心血管表現、新陳代謝、電解質平衡或體温。
然而，使用集成的混合可穿戴傳感器對心血管參數，特別是對血壓與生物標誌物水平的相關性進行深入研究仍然沒有得到進一步探索。
今天，來自加州大學聖地亞哥分校的工程師們開發了一種柔軟、有彈性的皮膚貼片，它可以貼在脖子上，在測量佩戴者的葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因水平的同時，持續跟蹤血壓和心率。
圖｜將貼片貼在脖子上可提供最佳讀數（來源：UC San Diego）
這是第一款能同時監測心血管信號和人體多種生化水平的可穿戴設備，該研究成果於 2 月 16 日發表在《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）上，通過集成的可穿戴設備進行連續、同步的聲學和電化學傳感，人們將對人體日常活動反應有更豐富的理解。
這種神奇貼片將非常有助於有潛在疾病的人定期監測自己的健康狀況，還將成為遠程病人監測的一種很好的工具，特別是在 COVID-19 大流行期間，當人們儘量減少親自到診所就診的情況下。
加州大學聖地亞哥分校納米工程教授、該研究的合著者 Joseph Wang 表示：“新穎之處在於，我們採用了完全不同的傳感器，並將它們合併到一個像郵票一樣小的平台上。這款可穿戴設備能以非侵入性的方式收集大量健康信息，而不會造成不適或日常活動中斷。”
市場需求很突出心率（HR）和血壓（BP）是人體最重要的兩個生命體徵，能動態、直接地反映人體的生理狀態。這些心血管參數可能受到各種生物標誌物濃度波動的影響，比如運動、壓力或食物、飲料和藥物的攝入等，這些活動可能導致突發的、甚至致命的身體徵兆。
因此，同時應用血壓、化學傳感可能具有臨牀價值，特別是對於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，因為他們對正常日常活動或飲食的生理反應最為明顯。
同時監測心血管參數和生物標誌物水平還能對許多疾病的預防、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，這會增加糖尿病患者中風、心臟病、視網膜病和腎病的風險。
使用一個可穿戴設備跟蹤代謝物和血流動力學參數可以提高患者的自我監測能力，因為它簡化了使用多種設備測量這些參數的複雜過程，從而間接預防危險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小型化的皮膚適形可穿戴設備也有額外的優勢。
例如，危重病和早產兒需要持續監測各種身體狀況，從低血糖和敗血症樣感染到心臟直視手術，需要持續監測血壓和乳酸或葡萄糖水平。目前可用的新生兒監護系統需要在他們微小的身體上應用多個，通常是侵入性的傳感器，涉及將導管插入患者動脈深處，並將患者束縛到多台醫院監護儀上，這些傳感器與笨重的儀器連接在一起，對父母和嬰兒來説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柔軟的、皮膚上的貼片時，從新生兒到老年的易受傷害的患者就能方便地進行檢測，而不會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實驗室跨學科的產物，由加州大學聖地亞哥可穿戴傳感器中心和加州大學聖地亞哥分校納米工程教授徐升的實驗室合作完成。
Joseph Wang 兼任加利福尼亞大學聖地亞哥分校納米工程系主任和可穿戴傳感器中心，他一直致力於開發新型納米生物電子學和傳感技術，能夠同時監測人體內的多種信號——化學、物理和電生理。而徐升的實驗室一直在開發柔軟、有彈性的電子皮膚貼片，可以監測身體深處的血壓。
通過聯手，研究人員們得以創造了第一個靈活、可伸縮的皮膚貼片，並結合了化學傳感（葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因）和血壓監測。
圖｜可拉伸集成BP-化學傳感貼片的設計和機理（來源：Nature Biomedical Engineering）
其中血壓傳感器位於貼片中心附近。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送超聲波，當超聲波從動脈反彈時，傳感器檢測到回聲並將信號轉換為血壓讀數。
化學傳感器是兩個電極，由導電油墨絲網印刷在貼片上。感應乳酸、咖啡因和酒精的電極印在貼片的右側；其工作原理是將一種名為毛果芸香鹼的藥物釋放到皮膚中誘發出汗，並檢測出汗中的化學物質。另一個感應葡萄糖的電極印在左側，它的工作原理是一個温和的電流通過皮膚釋放間質液體，並測量液體中的葡萄糖。
從工程難度來説，最大的挑戰在於製成一個具有高機械彈性和無傳感器串擾的可穿戴共形傳感器。
通過戰略性的材料選擇、佈局設計和製造工程，研究人員集成了剛性和軟測量組件，即定製的壓電鋯鈦酸鉛（PZT）超聲換能器和印刷聚合物複合材料，並創新溶劑焊接工藝最終加工而成。這種設計克服了與不同傳感模式和材料的整合相關的工程挑戰，以允許實時監測心血管參數和生物標記物水平，並與間質液（ISF）和汗液生物流體的平行取樣相關。
首先，消除傳感器信號之間的相互干擾。研究人員必須找出血壓傳感器和化學傳感器之間的最佳間距。
因為聲傳感器的信號產生依賴於高壓和高頻脈衝，這些脈衝可能導致化學傳感器中的信號漂移，而IP提取、恆電位傳感和電位掃描傳感也可能導致聲信號中的噪聲。最終他們發現，一釐米的間距在保持裝置儘可能小的同時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傳感器和血壓傳感器互相串擾。後者通常配備有液體超聲凝膠，以便產生清晰的讀數。但化學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，並與其他凝膠接觸，將導致傳感器之間的干擾。
在這裏，研究人員通過在空間上分離兩種成分並使用固態超聲和傳感水凝膠層來防止聲學和電化學傳感器之間的信號串擾，他們使用了一種固體超聲波凝膠，他們發現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（來源：Nature Biomedical Engineering）
其次，搞定機械性能。在日常生活中，當皮膚貼片預期拉伸變形時，機械穩定性是決定皮膚貼片傳感器可靠性的另一個關鍵因素。
化學傳感器的阻抗和 PZT 超聲傳感器的接觸電阻可能隨着施加在貼片上的應變力而變化，從而導致測量信號的變化，影響器件的測量結果準確性。
研究人員通過開發了一種基於 SEBS 基材料快速溶解和室温固化的溶劑釺焊工藝，實現了 PZT 接觸件在機械應力作用下的穩定性。在組裝過程中，PZT 傳感器可以快速安裝並粘合到 SEBS 基板上，並通過用甲苯潤濕電極表面連接到 SEBS 基可拉伸油墨上，與先前的報告相比，組裝效率得到了一定的提升。
該裝置在轉移到人體後也表現出良好的機械彈性，在 20% 的主動拉伸變形期間，還進行了機械回彈試驗，其中電化學傳感器在兩個方向（水平和垂直）拉伸時在體外進行評估，血壓裝置在將頸部轉向一側 90° 時捕獲血壓信號時進行評估。
在 100 個拉伸週期期間或之後，數據波形無變化，結果表明印刷複合材料不受機械變形的影響，其中壓電換能器在應用於頸部時與頸動脈對齊，能獲得最佳超聲信號。
圖｜具有血壓和生化成分監測功能的多合一貼片（來源：UC San Diego）
測量效果如何？通過該設備對動態心血管參數和生物標記物濃度的監測，可以評估日常活動對個體生理狀態的影響，並持續收集關於用户對這些日常活動的反應數據。
人體內乳酸、葡萄糖、酒精和咖啡因的水平會因日常活動而波動，此外，這些水平對血壓的影響也會因個人的身體狀況而異。
例如在長時間運動期間，由於代謝壓力，血液和汗液中的乳酸水平會增加，心率升高以滿足肌肉對氧氣的需求，而血壓升高是由於一氧化氮等血管舒張介質的可用性增加。
為了研究這些影響，幾名志願者被要求在固定水平上進行 30 分鐘的腳踏車運動，然後休息 5 分鐘。在運動前後刺激出汗時記錄血壓以測量乳酸，並使用商用袖帶式血壓計和血乳酸計驗證獲得的血壓和乳酸水平數據，從該裝置收集的血壓和汗液乳酸數據與其他成熟驗證方法和商業設備的檢測結果一致。
圖｜不同情況下的身體健康參數檢測效果（來源：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險。
通過這種貼片傳感器發現，對於大量飲酒的人來説，早晨可能會有相當大的血壓飆升，這會大大增加中風的風險，非重度飲酒者攝入單一酒精飲料可導致暫時性血壓升高，同時，該傳感器允許可靠地檢測汗液中的酒精，因為這種極性小分子可以在汗液中被發現。
然後，研究人員還在現實生活場景中評估了該貼片的性能，人們通常會經歷多種活動，這些活動可能對身體的生理反應產生協同或抵消作用。一個常見的對血糖水平有抵消作用的例子是運動和食物攝入，因為運動過程中葡萄糖可以很快被消耗，產生能量。正如先前的單一刺激測試所顯示的那樣，運動也會增加個體的血壓和乳酸水平。
結果顯示，該貼片傳感器能夠捕捉由同時的食物和運動刺激產生的複雜生理變化過程，包括消化食物以產生葡萄糖作為儲能器，糖酵解反應消耗葡萄糖和氧氣以釋放能量，血壓和心率的增加彌補了低氧運動時氧耗和乳酸生成的不足。
這種複雜的動態過程需要混合傳感器連續工作，以捕捉整個活動過程中的實時波動，該傳感器長時間監測動態生物標誌物和血壓波動在體力活動中的聯繫也得到了證實。
下一步展望在論文中，這種多模式可穿戴技術被證明有助於將日常活動（如運動、飲酒和進食）與血壓、心率和生物標誌物水平的變化聯繫起來。
實驗結果支持了在單一適形可穿戴貼片上開發混合可穿戴傳感器的可能性，該傳感器具有化學和物理傳感器的複雜集成，能用於同時監測多個相關參數。只有明智地選擇材料、優化結構工程和考慮高通量製造工藝，才能實現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，但在血壓、心率和代謝物的測量方面仍有很多改進的機會。例如，集成貼片依賴於毛果芸香鹼對汗液的刺激；對大量不同健康狀況的個體進行廣泛驗證，包括糖尿病和心血管疾病患者；通過開發具有集成超聲波和多恆電位功能的電子設備，以及信號處理和無線傳輸功能，使設備完全小型化。
研究人員表示，未來還將致力於開發一個獨立的聲學傳感接口電路，再加上人工智能輔助信號處理，將把現有設備完全轉變為一個全面的皮膚傳感系統，使該設備能夠深入瞭解個人在預防和管理慢性病方面的健康和生理狀態。
該設備的問世代表着科學家朝着多模態可穿戴傳感器邁出的第一步，通過融合聲學和電化學傳感器，用於更全面地監測人體生理和實現遠程健康轉型。皮膚共形傳感貼片，為下一代可穿戴設備的發展開闢了新路徑。