超级“皮肤贴片”传感器问世，华人科学家参与研发，能实时同步检测多种健康数据
近年来，可穿戴传感器与远程医疗、医疗物联网和精确医疗等概念交织在一起，它们能提供主动和远程监测生理参数的功能，可以连续产生健康数据，增强佩戴者的自我监测依从性和护理质量。
使用无创可穿戴传感器监测单个物理参数，在市面上已有不少产品应用，如心电图、血压（BP）以及生化参数，如血糖等，同时业界也在探索多传感器结合方案，例如将心电图电极与乳酸或葡萄糖传感器相结合，就能监测运动员的心血管表现、新陈代谢、电解质平衡或体温。
然而，使用集成的混合可穿戴传感器对心血管参数，特别是对血压与生物标志物水平的相关性进行深入研究仍然没有得到进一步探索。
今天，来自加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发了一种柔软、有弹性的皮肤贴片，它可以贴在脖子上，在测量佩戴者的葡萄糖、乳酸、酒精或咖啡因水平的同时，持续跟踪血压和心率。
图｜将贴片贴在脖子上可提供最佳读数（来源：UC San Diego）
这是第一款能同时监测心血管信号和人体多种生化水平的可穿戴设备，该研究成果于 2 月 16 日发表在《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）上，通过集成的可穿戴设备进行连续、同步的声学和电化学传感，人们将对人体日常活动反应有更丰富的理解。
这种神奇贴片将非常有助于有潜在疾病的人定期监测自己的健康状况，还将成为远程病人监测的一种很好的工具，特别是在 COVID-19 大流行期间，当人们尽量减少亲自到诊所就诊的情况下。
加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授、该研究的合著者 Joseph Wang 表示：“新颖之处在于，我们采用了完全不同的传感器，并将它们合并到一个像邮票一样小的平台上。这款可穿戴设备能以非侵入性的方式收集大量健康信息，而不会造成不适或日常活动中断。”
市场需求很突出
心率（HR）和血压（BP）是人体最重要的两个生命体征，能动态、直接地反映人体的生理状态。这些心血管参数可能受到各种生物标志物浓度波动的影响，比如运动、压力或食物、饮料和药物的摄入等，这些活动可能导致突发的、甚至致命的身体征兆。
因此，同时应用血压、化学传感可能具有临床价值，特别是对于有潜在健康隐患的人，如老年人、肥胖者或受糖尿病和心血管疾病影响的人，因为他们对正常日常活动或饮食的生理反应最为明显。
同时监测心血管参数和生物标志物水平还能对许多疾病的预防、诊断和治疗都有很大的帮助。
例如急性和致命的败血性休克，通常包括血压突然下降伴随血乳酸水平迅速升高，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。
使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，因为它简化了使用多种设备测量这些参数的复杂过程，从而间接预防危险的心脏病事件和挽救生命。
另外，将多种传感模式组合成一个小型化的皮肤适形可穿戴设备也有额外的优势。
例如，危重病和早产儿需要持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，需要持续监测血压和乳酸或葡萄糖水平。目前可用的新生儿监护系统需要在他们微小的身体上应用多个，通常是侵入性的传感器，涉及将导管插入患者动脉深处，并将患者束缚到多台医院监护仪上，这些传感器与笨重的仪器连接在一起，对父母和婴儿来说都是一种痛苦的方式。
而通过将不同的传感方式集成到一个柔软的、皮肤上的贴片时，从新生儿到老年的易受伤害的患者就能方便地进行检测，而不会有任何不适或痛苦的情况。
神奇的皮肤传感器贴片
这种新颖的传感器贴片是两个实验室跨学科的产物，由加州大学圣地亚哥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升的实验室合作完成。
Joseph Wang 兼任加利福尼亚大学圣地亚哥分校纳米工程系主任和可穿戴传感器中心，他一直致力于开发新型纳米生物电子学和传感技术，能够同时监测人体内的多种信号——化学、物理和电生理。而徐升的实验室一直在开发柔软、有弹性的电子皮肤贴片，可以监测身体深处的血压。
通过联手，研究人员们得以创造了第一个灵活、可伸缩的皮肤贴片，并结合了化学传感（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和机理（来源：Nature Biomedical Engineering）
其中血压传感器位于贴片中心附近。它由一组小型超声换能器组成，这些换能器通过导电油墨印刷到贴片上。施加在换能器上的电压使换能器向人体发送超声波，当超声波从动脉反弹时，传感器检测到回声并将信号转换为血压读数。
化学传感器是两个电极，由导电油墨丝网印刷在贴片上。感应乳酸、咖啡因和酒精的电极印在贴片的右侧；其工作原理是将一种名为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。另一个感应葡萄糖的电极印在左侧，它的工作原理是一个温和的电流通过皮肤释放间质液体，并测量液体中的葡萄糖。
从工程难度来说，最大的挑战在于制成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。
通过战略性的材料选择、布局设计和制造工程，研究人员集成了刚性和软测量组件，即定制的压电锆钛酸铅（PZT）超声换能器和印刷聚合物复合材料，并创新溶剂焊接工艺最终加工而成。这种设计克服了与不同传感模式和材料的整合相关的工程挑战，以允许实时监测心血管参数和生物标记物水平，并与间质液（ISF）和汗液生物流体的平行取样相关。
首先，消除传感器信号之间的相互干扰。研究人员必须找出血压传感器和化学传感器之间的最佳间距。
因为声传感器的信号产生依赖于高压和高频脉冲，这些脉冲可能导致化学传感器中的信号漂移，而IP提取、恒电位传感和电位扫描传感也可能导致声信号中的噪声。最终他们发现，一厘米的间距在保持装置尽可能小的同时起到了降低干扰的作用。
研究人员还必须弄清楚如何在物理上屏蔽化学传感器和血压传感器互相串扰。后者通常配备有液体超声凝胶，以便产生清晰的读数。但化学传感器也配备了自己的水凝胶，问题是，如果任何液体凝胶从血压传感器流出，并与其他凝胶接触，将导致传感器之间的干扰。
在这里，研究人员通过在空间上分离两种成分并使用固态超声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，但没有泄漏的弊端。
图｜传感器可拉伸效果（来源：Nature Biomedical Engineering）
其次，搞定机械性能。在日常生活中，当皮肤贴片预期拉伸变形时，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 超声传感器的接触电阻可能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，影响器件的测量结果准确性。
研究人员通过开发了一种基于 SEBS 基材料快速溶解和室温固化的溶剂钎焊工艺，实现了 PZT 接触件在机械应力作用下的稳定性。在组装过程中，PZT 传感器可以快速安装并粘合到 SEBS 基板上，并通过用甲苯润湿电极表面连接到 SEBS 基可拉伸油墨上，与先前的报告相比，组装效率得到了一定的提升。
该装置在转移到人体后也表现出良好的机械弹性，在 20% 的主动拉伸变形期间，还进行了机械回弹试验，其中电化学传感器在两个方向（水平和垂直）拉伸时在体外进行评估，血压装置在将颈部转向一侧 90° 时捕获血压信号时进行评估。
在 100 个拉伸周期期间或之后，数据波形无变化，结果表明印刷复合材料不受机械变形的影响，其中压电换能器在应用于颈部时与颈动脉对齐，能获得最佳超声信号。
图｜具有血压和生化成分监测功能的多合一贴片（来源：UC San Diego）
测量效果如何？
通过该设备对动态心血管参数和生物标记物浓度的监测，可以评估日常活动对个体生理状态的影响，并持续收集关于用户对这些日常活动的反应数据。
人体内乳酸、葡萄糖、酒精和咖啡因的水平会因日常活动而波动，此外，这些水平对血压的影响也会因个人的身体状况而异。
例如在长时间运动期间，由于代谢压力，血液和汗液中的乳酸水平会增加，心率升高以满足肌肉对氧气的需求，而血压升高是由于一氧化氮等血管舒张介质的可用性增加。
为了研究这些影响，几名志愿者被要求在固定水平上进行 30 分钟的脚踏车运动，然后休息 5 分钟。在运动前后刺激出汗时记录血压以测量乳酸，并使用商用袖带式血压计和血乳酸计验证获得的血压和乳酸水平数据，从该装置收集的血压和汗液乳酸数据与其他成熟验证方法和商业设备的检测结果一致。
图｜不同情况下的身体健康参数检测效果（来源：Nature Biomedical Engineering）
作为另一种常见的不健康刺激，过量的酒精摄入已被证明通过酒精引起的低血压和高血压增加心血管风险。
通过这种贴片传感器发现，对于大量饮酒的人来说，早晨可能会有相当大的血压飙升，这会大大增加中风的风险，非重度饮酒者摄入单一酒精饮料可导致暂时性血压升高，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被发现。
然后，研究人员还在现实生活场景中评估了该贴片的性能，人们通常会经历多种活动，这些活动可能对身体的生理反应产生协同或抵消作用。一个常见的对血糖水平有抵消作用的例子是运动和食物摄入，因为运动过程中葡萄糖可以很快被消耗，产生能量。正如先前的单一刺激测试所显示的那样，运动也会增加个体的血压和乳酸水平。
结果显示，该贴片传感器能够捕捉由同时的食物和运动刺激产生的复杂生理变化过程，包括消化食物以产生葡萄糖作为储能器，糖酵解反应消耗葡萄糖和氧气以释放能量，血压和心率的增加弥补了低氧运动时氧耗和乳酸生成的不足。
这种复杂的动态过程需要混合传感器连续工作，以捕捉整个活动过程中的实时波动，该传感器长时间监测动态生物标志物和血压波动在体力活动中的联系也得到了证实。
下一步展望
在论文中，这种多模式可穿戴技术被证明有助于将日常活动（如运动、饮酒和进食）与血压、心率和生物标志物水平的变化联系起来。
实验结果支持了在单一适形可穿戴贴片上开发混合可穿戴传感器的可能性，该传感器具有化学和物理传感器的复杂集成，能用于同时监测多个相关参数。只有明智地选择材料、优化结构工程和考虑高通量制造工艺，才能实现可靠和全面的表皮传感器集成。
虽然该集成装置显示出吸引人的特点，但在血压、心率和代谢物的测量方面仍有很多改进的机会。例如，集成贴片依赖于毛果芸香碱对汗液的刺激；对大量不同健康状况的个体进行广泛验证，包括糖尿病和心血管疾病患者；通过开发具有集成超声波和多恒电位功能的电子设备，以及信号处理和无线传输功能，使设备完全小型化。
研究人员表示，未来还将致力于开发一个独立的声学传感接口电路，再加上人工智能辅助信号处理，将把现有设备完全转变为一个全面的皮肤传感系统，使该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。
该设备的问世代表着科学家朝着多模态可穿戴传感器迈出的第一步，通过融合声学和电化学传感器，用于更全面地监测人体生理和实现远程健康转型。皮肤共形传感贴片，为下一代可穿戴设备的发展开辟了新路径。
编审：寇建超
排版：杨逍
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41551-021-00685-1