近年来，可穿戴传感器与远程医疗、医疗物联网、精密医学等概念交织在一起。它们可以提供生理参数的主动和远程监控，连续生成健康数据，并增强佩戴者的自我监控依从性和护理质量。
利用无创可穿戴传感器监测单个物理参数已经在市场上得到广泛应用，如心电图、血压(BP)和血糖等生化参数等。同时，业界也在探索多传感器组合方案，比如将心电电极与乳酸或葡萄糖传感器相结合，可以监测运动员的心血管表现、代谢、电解质平衡或体温。
然而，使用集成的混合可佩戴传感器对心血管参数的深入研究，特别是血压和生物标记物水平之间的相关性还没有进一步探索。
今天，加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种柔软而有弹性的皮肤贴片，可以贴在脖子上，测量佩戴者的葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因水平，并跟踪血压和心率。
图|把贴片贴在脖子上可以提供最好的阅读(来源:加州大学圣地亚哥分校)
这是第一个可以同时监测心血管信号和人体各种生化水平的可穿戴设备。研究结果发表在2月16日的《自然生物医学工程》上。通过集成可穿戴设备的连续同步声学和电化学传感，人们将对人类的日常活动有更丰富的了解。
这种神奇的贴片将非常有助于患有潜在疾病的人定期监测他们的健康状况，也将成为远程患者监测的良好工具，特别是在新冠肺炎大流行期间，当人们试图减少去诊所的次数时。
加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、该研究的合著者约瑟夫·王(Joseph Wang)说:“新奇的是，我们使用完全不同的传感器，并将它们组合成一个像邮票一样小的平台。这种可穿戴设备可以以非侵入性的方式收集大量健康信息，而不会引起不适或中断日常活动。”
市场需求非常突出
心率(HR)和血压(BP)是人体最重要的两个生命体征，能够动态、直接地反映人体的生理状态。这些心血管参数可能会受到各种生物标志物浓度波动的影响，如运动、压力或食物、饮料和药物的摄入，这可能会导致突然甚至致命的身体症状。
因此，血压和化学传感的同时应用可能具有临床价值，特别是对于具有潜在健康风险的人群，如老年人、肥胖人群或患有糖尿病和心血管疾病的人群，因为他们对正常的日常活动或饮食有最明显的生理反应。
同时，监测心血管参数和生物标志物水平对许多疾病的预防、诊断和治疗也有很大帮助。
例如，急性致死性脓毒性休克通常包括血压突然下降并伴有血乳酸水平快速升高，以及低血糖或高血糖引起的低血压或高血压，这会增加糖尿病患者中风、心脏病、视网膜病和肾病的风险。
用一个可穿戴设备跟踪代谢物和血流动力学参数可以提高患者的自我监测能力，因为它简化了用多个设备测量这些参数的复杂过程，从而间接防止危险的心脏病事件并挽救生命。
此外，将多种传感模式结合到一个小型化的符合皮肤的可穿戴设备中具有额外的优势。
例如，危重和早产儿需要连续监测各种身体状况，从低血糖和败血症样感染到心脏直视手术，并需要连续监测血压和乳酸或葡萄糖水平。目前，可用的新生儿监测系统需要将多个通常是侵入性的传感器应用于他们的微小身体，这包括将导管插入患者的深层动脉，并将患者绑在多个医院监视器上。这些传感器都是用笨重的仪器连接的，对于父母和宝宝来说都是一种痛苦的方式。
通过将不同的传感方法集成到皮肤上的软贴片中，可以方便地检测从新生儿到老年的脆弱患者，而没有任何不适或疼痛。
神奇的皮肤传感器贴
这种新型传感器贴片是由加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授徐盛实验室合作完成的两个实验室的跨学科产品。
约瑟夫·王还是加州大学圣地亚哥分校纳米工程系和可穿戴传感器中心的负责人。他一直致力于开发新的纳米生物电子学和传感技术，可以同时监测人体内的各种信号——化学、物理和电生理学。然而，徐盛的实验室一直在开发一种柔软有弹性的电子皮肤贴片，可以监测体内深处的血压。
研究人员共同创造了第一个灵活、可扩展的皮肤贴片，它结合了化学传感(葡萄糖、乳酸、酒精和咖啡因)和血压监测。
图|可拉伸集成BP-化学传感贴片的设计与机理(来源:自然生物医学工程)
其中血压传感器位于贴片的中心附近。它由一组小型超声波换能器组成，通过导电墨水印刷在贴片上。施加到换能器的电压导致换能器向人体发送超声波。当超声波从动脉反弹时，传感器检测到回波，并将信号转换成血压读数。
化学传感器是两个电极，通过导电墨水丝网印刷在贴片上。贴片右侧印有感应乳酸、咖啡因、酒精的电极；它的工作原理是将一种叫做毛果芸香碱的药物释放到皮肤中诱发出汗，并检测出汗中的化学物质。另一个感知葡萄糖的电极印在左边。它的工作原理是温和的电流通过皮肤释放组织液，并测量液体中的葡萄糖。
就工程难度而言，最大的挑战在于制作一个具有高机械弹性和无传感器串扰的可穿戴共形传感器。
通过战略材料选择、布局设计和制造工程，研究人员集成了刚性和软传感元件，即定制压电锆钛酸铅(PZT)超声换能器和印刷聚合物复合材料，并创新溶剂焊接技术最终制造它们。这种设计克服了与不同传感模式和材料集成相关的工程挑战，允许实时监测心血管参数和生物标志物水平，并与间质液(ISF)和汗液生物流体的平行采样相关。
首先，消除传感器信号之间的相互干扰。研究人员必须找到血压传感器和化学传感器之间的最佳距离。
由于声传感器的信号产生依赖于高电压和高频脉冲，这些脉冲在化学传感器中可能引起信号漂移，IP提取、恒电位传感和电位扫描传感也可能引起声信号中的噪声。最后，他们发现一厘米的间距使设备尽可能小，并起到了减少干扰的作用。
研究人员还必须找到如何物理屏蔽化学传感器与血压传感器的串扰。后者通常配备液体超声波凝胶，以产生清晰的读数。然而，化学传感器也配有自己的水凝胶。问题是，如果任何液体凝胶流出血压传感器并与其他凝胶接触，都会导致传感器之间的干扰。
在这里，研究人员通过空间分离两种成分并使用固体超声波和传感水凝胶层来防止声学和电化学传感器之间的信号串扰。他们使用了一种固体超声波凝胶，他们发现这种凝胶和液体凝胶一样有效，但没有泄漏的缺点。
图|传感器的可拉伸效果(来源:自然生物医学工程)
第二，固定机械性能。在日常生活中，当皮肤贴片预计会在张力下变形时，机械稳定性是决定皮肤贴片传感器可靠性的另一个关键因素。
化学传感器的阻抗和PZT超声波传感器的接触电阻可能会随着施加在贴片上的应变力而变化，从而导致测量信号的变化，影响器件测量结果的准确性。
研究人员已经开发了一种基于SEBS基材料的快速溶解和室温固化的溶剂钎焊工艺，以实现压电触点在机械应力下的稳定性。在组装过程中，压电传感器可以快速安装并粘接到SEBS基板上，并通过用甲苯润湿电极表面连接到基于SEBS的可拉伸油墨上。与以前的报告相比，装配效率有所提高。
转移到人体后，该装置也表现出良好的机械弹性。在20%主动拉伸变形过程中，还进行了机械回弹试验，其中在两个方向(水平和垂直)拉伸时在体外评估电化学传感器，在将颈部向一侧转动90°时捕获血压信号时评估血压装置。
在100个拉伸周期期间或之后，数据波形没有变化，结果表明印刷的复合材料不受机械变形的影响，压电换能器在应用于颈部时与颈动脉对齐，从而可以获得最佳的超声信号。
图|带血压和生化成分监测功能的一体化贴片(来源:加州大学圣地亚哥分校)
测量效果如何？
通过监测动态心血管参数和生物标记物浓度，该设备可以评估日常活动对个体生理状态的影响，并连续收集关于用户对这些日常活动的反应的数据。
人体内乳酸、葡萄糖、酒精和咖啡因的水平随着日常活动而波动。此外，这些水平对血压的影响将根据个人的身体状况而变化。
比如在长期运动中，由于代谢压力，血液和汗液中的乳酸水平会升高，心率会增加以满足肌肉的氧气需求，而血压则会由于一氧化氮等血管扩张剂的可用性增加而升高。
为了研究这些影响，几名志愿者被要求在固定的水平上循环30分钟，然后休息5分钟。运动前后刺激发汗时记录血压测量乳酸，血压和乳酸水平数据由商用袖带血压计和血乳酸仪验证。该装置采集的血压和汗乳酸数据与其他成熟验证方法和商用设备的检测结果一致。
图|不同条件下身体健康参数的检测效果(来源:自然生物医学工程)
作为另一种常见的不健康刺激，过量饮酒已被证明会通过酒精引起的低血压和高血压增加心血管风险。
通过这个贴片传感器发现，对于重度饮酒者来说，早上可能会有相当大的血压飙升，这将大大增加中风的风险。不太爱喝酒的人喝一杯酒精饮料会导致血压暂时升高。同时，该传感器允许可靠地检测汗液中的酒精，因为这种极性小分子可以在汗液中找到。
然后，研究人员还评估了该补丁在现实场景中的性能。人们通常会经历各种各样的活动，这些活动可能对身体的生理反应产生协同或抵消作用。抵消血糖水平的一个常见例子是锻炼和食物摄入，因为锻炼期间可以快速消耗葡萄糖并产生能量。正如之前的单一刺激测试所显示的，运动也增加了个体的血压和乳酸水平。
结果表明，贴片传感器可以捕捉到食物和运动刺激同时作用引起的复杂生理变化，包括食物消化产生葡萄糖作为能量储存，糖酵解反应消耗葡萄糖和氧气释放能量，血压和心率的增加弥补了低氧运动时耗氧量和乳酸产生的不足。
这种复杂的动态过程需要混合传感器的连续操作来捕捉整个活动过程中的实时波动。通过传感器对动态生物标记物的长期监测和身体活动中的血压波动之间的联系也被证实。
期待下一步
在这篇文章中，这种多模式可穿戴技术被证明有助于将日常活动(如锻炼、喝酒和吃饭)与血压、心率和生物标记水平的变化联系起来。
实验结果支持在单个贴合可穿戴贴片上开发混合可穿戴传感器的可能性，该贴片具有化学和物理传感器的复杂集成，并且可以用于同时监测多个相关参数。只有明智地选择材料，优化结构工程，考虑高通量制造工艺，才能实现可靠、全面的皮肤传感器集成。
虽然集成设备显示出诱人的特性，但在血压、心率和代谢物的测量方面仍有许多改进的机会。比如集成贴片依靠毛果芸香碱刺激汗液；大量不同健康状况的个体的广泛验证，包括糖尿病和心血管疾病患者；通过开发集成超声波和多恒电位仪功能以及信号处理和无线传输功能的电子设备，使设备完全小型化。
研究人员表示，未来他们将致力于开发一种独立的声学传感接口电路，该电路与人工智能辅助信号处理一起，将现有设备完全转化为一种全面的皮肤传感系统，使设备能够深入了解个人在预防和管理慢性病方面的健康和生理状态。
该设备的出现代表着科学家向多模式可穿戴传感器迈进的第一步，可穿戴传感器可用于更全面地监测人体生理，并通过集成声学和电化学传感器实现远程健康转换。皮肤适形传感器贴片为下一代可穿戴设备的发展开辟了新的途径。
编辑:寇建超
排版:杨晓
参考文献:
https://www.nature.com/articles/s41550200681
