李盈 李盈

科技控,关注医疗领域的大数据和人工智能技术

一提起可穿戴设备,我们脑海里会想起苹果手表、谷歌眼镜以及Fitbit手环,然而,这些可穿戴设备体型仍然很大,并且能测量的人体数据比较有限,仍然停留在非常基础的数据上,更深入的数据,脑电图、肌电图、心电图和汗液都无法测量,这就限制了可穿戴设备在健康医疗上的应用,因此不少人认为现在的可穿戴设备仍然是一个看起来很炫酷的「玩具」,中看不中用。

对此,科学家们想要用一种全新的方式来定义可穿戴设备,这种可穿戴是电子学与生物学的融合,质量非常轻,无需戴在手上,而是像刺青或者贴画一样直接黏在皮肤上,能够测量人体更丰富的数据,而这种可穿戴设备,就是「表皮电子」,也叫「电子纹身」。

这个月,《科学》杂志上连续发表了两篇有关「表皮电子」的新突破,一项是11月23日发表在Science Translational Medicine期刊上,能够在人运动中测量人体汗液表皮电子,另外一项是11月16日发表在Science Advances期刊上,能够测量心电图和肌电图,还能充当「人机接口」角色的表皮电子。这两项研究,都在同一个人指导下完成,那就是国际知名的柔性电子学专家约翰·罗杰斯(John Rogers)。

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约翰罗杰斯教授于1995年在麻省理工学院(MIT)获得了物理化学博士学位,之后曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究组组长。从2003年开始,罗杰斯教授在伊利诺伊大学香槟分校担任化学工程系教授至今。并从今年9月份开始,担任西北大学生物集成电子中心的教授兼主任。

 

 

1.能够测汗液成分的可穿戴设备

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上图就是罗杰斯教授研发的能够在运动中测量汗液成分的表皮电子。这个漂亮的可穿戴设备非常轻巧,而且很柔软,采用医用级丙烯酸胶膜,对皮肤无刺激性,这种材料能够让「贴片」稳定、结实、无缝地黏在皮肤上,即使在头发覆盖的头皮处或在出汗很大的地方也能牢固地黏上。它的功能非常强大,可以根据使用者运动时产生汗水里的代谢物和电解质,监测到用户的身体健康情况,并将数据实时同步到智能手机上。不过这种硬币大小的皮肤贴片是一次性使用的,本身无需充电,有效使用时间仅为几个小时。

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储存器的试剂与汗液作用后会颜色会改变

这个皮肤贴片由三个部分叠加:首先是与皮肤相容的胶粘层可以收集汗水。其次是四个单独的圆形「储存器」中,每个「储存器」中包含了不同的试剂,代表着葡萄糖、氯化物、乳酸盐和pH指数,当汗液流入这里后便会和试剂发生化学反应,然后「储存器」颜色会相应地改变。最后是一个环形天线,可以通过NFC(近距离无线通讯技术)传递数据到智能手机上。

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利用智能手机分析分析汗液成分

 

使用者会在手机上安装一个相应的APP,首先利用智能手机的照相机功能进行「白平衡」的校准,确定此时的光和阴影。校准后拍摄变色后的「皮肤贴片」,根据储存器RBG变化来确定收集汗液中的葡萄糖、氯化物、乳酸盐和pH指数,研究人员称可以可靠地测量0.5单位的pH单位,0.2单位的氯化钠,0.3单位的乳酸,和0.1单位的葡萄糖的浓度,分别对应于在RGB图像的R通道1%的变化。

在实验中,罗杰斯教授找了21个健康的志愿者,在胳膊上和后背贴上了这种「皮肤贴片」。其中9个志愿者在健身房骑单车,另外12个志愿者参加在图森市的户外长途自行车竞赛。为了对比结果,研究者将志愿者的汗液吸在纸垫上,将湿样本送到实验室进行分析。最后的结果是,无论是室内还是室外的运动,「皮肤贴片」都能够工作,而且测量汗液的结果和传统方法是一致的

「它似乎真的很实用」,斯坦福大学化学工程教授鲍哲南说,她同样从事新型生物医学材料的研究,但是并没有参与本次研究 。通过简单地看一个颜色变化,「这样的贴片让人们了解他们的健康状况,并且知道运动是如何改变的。」

一开始,罗杰斯教授的目的是想要通过这个「皮肤贴片」提醒人们在运动过中及时补充电解质,防止脱水。但随着研究进一步深入,罗杰斯想象了更复杂的应用场景,如在军事训练期间对身体实时监控,甚至可以筛选患有糖尿病或囊性纤维化的疾病的人。

2.利用机械波的可穿戴设备

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另外一项研究是由科罗拉多大学博尔德分校和西北大学联合开发的表皮电子。这个可穿戴设备功能同样强大,能够通过人体的机械波测量心电图、肌电图,还能作为控制外部机器的人机接口。联合研究的参与者有科罗拉多大学助理教授Jae-Woong Jeong、西北大学的黄永刚教授以及约翰·罗杰斯。

人体内的机械波主要有两种,水波和声波。水波,就是人体体液相互之间激荡所产生的。声波,则是通过人体声带震动,以空气为媒介产生的,两种机械波蕴藏着巨大的临床应用的信息。但两种机械波的频率和强度都超出了人的听觉范围,只能借助听诊器或者数字加速度器来收集相关信息,但是这种方法不适用于连续的、实时的收集模式。

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图中为科罗拉多大学助理教授Jae-Woong Jeong

 

这个柔软的表皮电子只有20毫米厚,重量只有213.6毫克,它由柔软材料组成,可以适应人体的曲度,最外层的硅橡胶可以蒸发人体的汗水,因此可以「贴」在身体任何一个地方。

可别小瞧了这个表皮电子,它可以连续监测人体内通过组织和体液传播的机械波,揭示人体独特的声学特征,通过持续收集心脏瓣膜的打开和关闭的数据来监测心脏健康、通过收集声带振动的数据来识别人们发出的「单词」,甚至它可以监测肠道蠕动的情况。

「这个传感器非常轻,可在日常生活中用于心血管监测,语音识别和人机接口」, Jeong说,「它非常方便、舒适,可以把它看做微型的、可穿戴的听诊器。」

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传感器的组成情

这个表皮电子最外层是柔软的、延展非常好的弹性硅橡胶层,里面包裹着微型加速度计、放大器、电阻器和电容器。加速度计振动频率为0.5到550赫兹,身体重要器官发出的机械波都在这个范围之间。并且可以组合不同的电极,比如说与记录ECG(心电图)信号的电极组合在一起,就可以监测心脏的活动。当和EMG(肌动电流图)信号组合在一起,就可以监测肌肉在静息和收缩期间的活动。当它与外部数据采集系统连接时,就变身为一个无线设备。Jeong认为,这种微型传感器特别适合远程医疗,帮助医生做出快速、准确的判断。

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传感器延展性非常好,能够轻松地附在皮肤上

在亚利桑那大学合作的一家私人诊所Camp Lowell Cardiology中研究者挑选了8名老年志愿者,研究者这个表皮电子贴在了实验对象的主动脉、肺部、心脏三尖瓣、二尖瓣(超声波探头定位)的位置。最终结果是,与商用听诊器相比,它能够监测心电活动,并且能够检测出心脏杂音。在随后的研究中,它也可以用于监测心室辅助装置(LVADs),同时也具备检测血液中「血块」的功能,这有助于预防血栓的形成。

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作为人机接口控制《吃豆人》

另一方面,这个表皮电子具备语音识别的能力。研究者把它贴在了人体的喉咙部分,通过捕捉发音肌肉群的肌电图(EMG)信号,表皮电子具备语音识别的功能,以此作为控制外部机器的「人机接口」。在实验中,实验对象喉咙部位贴有表皮电子,通过说「上、下、左、右」四个词语,实验对象可以控制「吃豆人」游戏,准确率为90%。

与麦克风记录的语音相比,因为表皮电子是贴在皮肤上,识别的语音基本上不受噪音的影响。在噪音环境中,麦克风记录语音的质量明显下降,表皮电子几乎不受影响。

研究者认为,这个表皮单子可以作为人机接口发送命令到计算机,未来应用前景非常宽广,可以用于控制游戏、无人机和无人车。此外,它还特别适用于像「战场」这样嘈杂的环境用于语音识别。

研究者认为在这之前虽然已经有不少表皮电子,但是这款传感器首次验证可以利用人体的机械波来监测健康、识别语音。下一步,研究者希望把传感器监测的机械波频率增加到2000赫兹,成为一个全方位监测语音的麦克风,「我们的目标就是把这个传感器应用到我们的日常生活中」Jeong说。

参考资料:

【1】Yuhao Liu, James J. S. Norton, Raza Qazi, Zhanan Zou, Kaitlyn R. Ammann, Hank Liu, Lingqing Yan, Phat L. Tran, Kyung-In Jang, Jung Woo Lee, Douglas Zhang, Kristopher A. Kilian1, Sung Hee Jung, Timothy Bret, Jianliang Xiao, Marvin J. Slepian, Yonggang Huang, Jae-Woong Jeong, and John A. Rogers.Epidermal mechano-acoustic sensing electronics for cardiovascular diagnostics and human-machine interfaces.Science Advances[J]16 Nov 2016:Vol.2,no.11e1601185

【2】Ahyeon Koh,,Daeshik Kang, Yeguang Xue, Seungmin Lee, Rafal M. Pielak, Jeonghyun Kim, Taehwan Hwang, Seunghwan Min, Anthony Banks, Philippe Bastien, Megan C. Manco, Liang Wang, Kaitlyn R. Ammann, Kyung-In Jang, Phillip Won, Seungyong Han, Roozbeh Ghaffari, Ungyu Paik, Marvin J. Slepian, Guive Balooch, Yonggang Huang and John A. Rogers.A soft, wearable microfluidic device for the capture, storage, and colorimetric sensing of sweat.Science Translational Medicine[J] 23 Nov 2016:Vol. 8, Issue 366, pp. 366ra165

【3】http://www.colorado.edu/today/2016/11/16/tiny-electronic-device-can-monitor-heart-recognize-speech

【4】https://www.statnews.com/2016/11/23/sweat-skin-patch/

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