可穿戴傳感技術(shù)極大地擴(kuò)展了健康監(jiān)測和人機(jī)界面的應(yīng)用，彌合了傳統(tǒng)臨床儀器與遠(yuǎn)程和日常醫(yī)療的迫切需求之間的差距。高性能、可拉伸和適形皮膚界面方面的最新進(jìn)展為我們提供了在高度可穿戴設(shè)備中進(jìn)行不引人注目的生理和代謝監(jiān)測的機(jī)會。這些傳感模式中的幾個可以集成，以提供更大的功能，感興趣的生物信號方便地共同定位。

基于此，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校Gert Cauwenberghs教授、Joseph Wang教授、Sheng Xu教授和Patrick Mercier教授合作利用耳朵的外分泌汗腺，描述了一種將電化學(xué)和電生理傳感器集成到耳內(nèi)的集成陣列，該陣列放置在用戶通用耳機(jī)周圍的柔性襯底上，通過腦電圖、眼電圖和皮膚電活動同時監(jiān)測乳酸濃度和大腦狀態(tài)（圖1）。在進(jìn)行一次急性運(yùn)動的志愿者中，該設(shè)備檢測到汗液中乳酸水平升高，與此同時，所有腦電圖頻段的大腦活動都發(fā)生了調(diào)節(jié)。在真實世界環(huán)境中，對代謝生物標(biāo)志物和腦電生理同時進(jìn)行的連續(xù)、不受干擾的耳內(nèi)監(jiān)測可能有助于發(fā)現(xiàn)腦和身體生物標(biāo)志物之間的動態(tài)和協(xié)同作用，用于長期健康監(jiān)測或檢測或監(jiān)測神經(jīng)退行性疾病。相關(guān)工作以“In-ear integrated sensor array for the continuous monitoring of brain activity and of lactate in sweat”發(fā)表在《Nature biomedical engineering》。第一作者為Yuchen Xu和Ernesto De la Paz。

圖1. 入耳式集成傳感器設(shè)計

研究者在多種信號條件下表征了入耳集成傳感器的電生理感知性能，并使用商用干接觸EEG耳機(jī)進(jìn)行了對照驗證。減少接觸損失的可能性，增加有效接觸面(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2q-v)。電極-耳阻抗的特征包括10 Hz的連續(xù)測量(EEG alpha波段，圖2a,b)和1 Hz - 1 kHz的電化學(xué)阻抗譜(EIS)(圖2c,d)。連續(xù)阻抗測量顯示，由于接觸區(qū)域分泌的汗液積累，電極-耳界面阻抗逐漸和一致地降低，這是耳內(nèi)的電皮膚活動。平均而言，結(jié)果顯示在50 Hz時，平面電極尺寸為12.56 mm2的386 kΩ電極-耳阻抗，與最先進(jìn)的入耳干電極(對于60 mm2電極面積，50 Hz時為377 kΩ)的阻抗相當(dāng)25，但尺寸更小。內(nèi)耳集成傳感器的電極直流電(DC)偏移(EDO)主要是由于不同的電生理和REF電極尺寸、電極表面雜質(zhì)小以及不同出汗條件下離子濃度的微小變化。圖2e,f顯示了正態(tài)分布的擬合結(jié)果，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.59 mV和21 mV，記錄的最大EDO (51.30 mV)在本工作中使用的模擬前端的±187 mV輸入范圍內(nèi)。

圖2. 耳內(nèi)電生理傳感能力的表征

首先，在建立的汗液乳酸濃度范圍內(nèi)，對耳內(nèi)電化學(xué)傳感器的性能進(jìn)行了體外評估。如圖3a所示，連續(xù)添加5 mM乳酸顯示出傳感器定義良好的電流響應(yīng)增加。傳感器的進(jìn)一步表征涉及傳感器在汗液中發(fā)現(xiàn)的相關(guān)干擾成分存在時的選擇性反應(yīng)。如圖3b所示，添加2 mM的乳酸增加了傳感器的電流響應(yīng)。連續(xù)加入乳酸(LA)、對乙酰氨基酚(AC)、抗壞血酸(AA)、葡萄糖(Gluc)和尿酸(UA)，電流變化可忽略不計。這種對乳酸的特異性反應(yīng)反映了選擇性生物受體和施加在基于pb的換能器上的- 0.2 V的低電位步驟的結(jié)合。圖3c中顯示的在固定濃度下(即10 mM)進(jìn)行18次重復(fù)CA掃描后，傳感器響應(yīng)的相對變化顯示出最小的變化(<5%)，表明了電化學(xué)換能器上的酶層的有效包封。此外，傳感器的操作穩(wěn)定性已通過連續(xù)掃描約1小時對乳酸中的10 mM步驟的持續(xù)響應(yīng)得到驗證(圖3d)。在不同的溫度和濕度水平下，電化學(xué)傳感器的分析性能與耳內(nèi)環(huán)境和人體生理條件相匹配40,41，在不同的乳酸濃度下進(jìn)行了評估。圖3e顯示了在25℃到40℃范圍內(nèi)的溫度下電流與濃度的斜率(μA/mM)的靈敏度。在這一溫度范圍內(nèi)，可以忽略斜率的差異，這可能是由于乳酸氧化酶的活性保持和穩(wěn)定的傳感器矩陣。同樣，傳感器在40%到70%的濕度水平上顯示出一致的斜率(圖3f)，這可能歸因于濕界面PVA凝膠抵抗了環(huán)境濕度水平波動的影響。在體外表征后，在穿戴有和沒有酶層的傳感器進(jìn)行固定運(yùn)動之前、期間和之后，評估電化學(xué)傳感器對汗液中乳酸的響應(yīng)。在檢測的每一步，我們使用市售血乳酸儀采集血樣，用于驗證目的。酶層修飾的傳感器在開始靜止運(yùn)動10 min后，與初始值相比，電流增加了Δi=?0.4 μA。同時，血乳酸水平在實驗的這一階段達(dá)到最大值(圖3g,h)。

圖3. 耳內(nèi)電解乳酸傳感能力和集成共傳感能力的表征

之前的研究發(fā)現(xiàn)，在劇烈運(yùn)動期間和之后，包括theta (4-8 Hz)、alpha (8-12 Hz)和beta (13-30 Hz)在內(nèi)的寬頻帶升高，這是由外周生理(而不僅僅是大腦本身)的變化驅(qū)動，并且在運(yùn)動后約10分鐘恢復(fù)到運(yùn)動前的基線靜息狀態(tài)EEG水平43,44。在這個聯(lián)合感知實驗中，5名健康參與者被指示進(jìn)行20分鐘的自行車運(yùn)動，以及運(yùn)動前α調(diào)制和運(yùn)動后α調(diào)制測量在4個時間點(diǎn):t 0(運(yùn)動前)，t 1(運(yùn)動后即刻)，t 2(運(yùn)動后3分鐘)和t3(運(yùn)動后放松)，如圖4的時間軸所示。在整個運(yùn)動實驗過程中同步進(jìn)行腦電圖和乳酸感知。我們進(jìn)行了運(yùn)動前和運(yùn)動后的α調(diào)制分析和腦狀態(tài)分類，以表征參與者在整個運(yùn)動過程中的腦狀態(tài)變化。圖4a-d展示4次(t0至t3)時參與者平均α調(diào)制結(jié)果。擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10顯示所有個體參與者的運(yùn)動前基線和運(yùn)動后α調(diào)制光譜。與之前的觀察結(jié)果43,44一致，EEG PSD從運(yùn)動前的基線水平(圖4a,e)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動后整個θ、α和β頻段的升高水平(圖4b,e)，最終恢復(fù)到運(yùn)動前的基線水平(圖4c-e)。

圖4. 五名參與者在運(yùn)動前、運(yùn)動中和運(yùn)動后的腦電圖和乳酸綜合傳感

【小結(jié)】

研究者報告了用于監(jiān)測腦狀態(tài)和乳酸濃度動態(tài)變化的全耳入式集成傳感器的結(jié)果。在剔除時間安培驅(qū)動電位的起始瞬態(tài)偽影后，實現(xiàn)了兩種模式的連續(xù)和同時傳感。總體而言，與運(yùn)動前基線相比，運(yùn)動后傳感器顯示出可觀察的變化程度。這項工作擴(kuò)展了之前的入耳系統(tǒng)，通過完全在耳朵內(nèi)的一個完全集成的用戶通用設(shè)備，展示了集成的腦狀態(tài)和動態(tài)化學(xué)監(jiān)測。這里展示的原理論證使用的是現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，沒有針對功率和尺寸進(jìn)行優(yōu)化，而是針對傳感器表征所需的可靠性能進(jìn)行了優(yōu)化。傳感器電子集成方面的進(jìn)一步進(jìn)展，包括我們的低功耗、低噪聲模擬前端信號放大、濾波和采集集成電路設(shè)計，以及在大規(guī)模人群中進(jìn)行的臨床驗證，有望帶來大量可穿戴診斷和治療應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿

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