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Nature子刊:耳塞式柔性传感器记录大脑活动和锻炼水平,可用于长期健康及神经退化状况监测

发布:2023-10-01    浏览:28 次

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脑电图(EEG)测量大脑的电活动以及运动和正常代谢活动期间身体产生的一种有机酸——汗液乳酸(sweat lactate),脑电图的数据可以用于多种目的。例如,它们可以用于诊断不同类型的癫痫,包括癫痫发作。它们还可以用于在体育锻炼以及监控压力和注意力的水平。


2023年9月28日,加州大学圣地亚哥分校Yuchen Xu博士及其研究团队在Nature Biomedical EngineeringIF=28.1)上发表了题为“In-ear integrated sensor array for the continuous monitoring of brain activity and of lactate in sweat”的文章,研究人员研究的传感器可以与耳塞通信,耳塞通过无线方式传输收集数据,可以在智能手机或笔记本电脑上进行可视化和进一步分析。这些数据可用于长期健康监测和检测长期神经退化状况。




为什么选择耳塞?

该团队认为,无处不在的耳塞意味着可以方便地收集大脑和身体信号,以促进身心健康。研究人员认为表示:“耳塞已经问世数十年,在许多方面是市场上首批可穿戴设备之一。并且,耳朵有汗腺,靠近大脑。这是一个自然的切入点,人们习惯戴耳塞。
入耳式集成传感器设计
构建传感器
这样的系统需要多领域的专业知识,包括生物工程、纳米工程、电气与计算机工程等,研究人员考虑了集成,让传感器尽可能小,以收集微小的汗液样本,还通过集成可以弯曲的部件来贴合耳朵的不规则形状。
建立入耳式传感器的第一步是确认脑电图和乳酸数据可以在耳朵中收集。在对人类被试进行初步实验后,研究人员确定,收集和记录乳酸数据的最佳位置是耳屏
为了确保电生理传感器与耳朵紧密接触,研究人员设计了3D弹簧传感器,这种传感器可以保持接触,但可以随着耳塞的移动进行调节。另一方面,为了改善汗液收集,研究人员用透明水凝胶膜覆盖电化学传感器。考虑到耳朵内部的有限空间,很难避免两个传感器之间的串扰。研究人员分析了各种材料选择、结构设计,并验证了用两个相隔两毫米的传感器同时记录脑电图和乳酸信号的可行性。
耳内电生理传感能力的表征


研究人员证明了乳酸传感器的灵敏度、选择性和集成传感器的环境稳定性。

耳内电解乳酸传感能力和集成共传感能力的表征


该团队还致力于处理设备本身的数据,最终目标是将处理后的数据无线传输到计算机或智能手机。传感器还可以收集额外的数据,如血氧饱和度和血糖水平。
研究人员设想这项工作将带来新的治疗方法。听觉神经反馈将测得的大脑信号与设备在耳中播放的声音相结合,可能会使积极治疗衰弱性神经疾病(如耳鸣,目前尚无有效治疗方法)的治疗取得潜在的深远的新进展。神经成像和健康监测系统将与可穿戴传感器和移动设备例如手机、耳塞、手表等,以跟踪大脑活动和一天中许多与健康相关的代谢物的水平。这将允许用户增强大脑和身体的能力。该团队还设想了一个未来,即耳机等现有可穿戴音频设备的功能可以大大扩展,以收集更广泛的数据。
参考文献
Xu Y, De la Paz E, Paul A, Mahato K, Sempionatto JR, Tostado N, Lee M, Hota G, Lin M, Uppal A, Chen W, Dua S, Yin L, Wuerstle BL, Deiss S, Mercier P, Xu S, Wang J, Cauwenberghs G. In-ear integrated sensor array for the continuous monitoring of brain activity and of lactate in sweat. Nat Biomed Eng. 2023 Sep 28. doi: 10.1038/s41551-023-01095-1IF: 28.1 Q1 . Epub ahead of print. PMID: 37770754.
资讯来源
https://medicalxpress.com/news/2023-09-screen-printed-flexible-sensors-earbuds-brain.html
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编译:李鑫曌
校审:展琳琳
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