低成本柔性創(chuàng)可貼式呼吸監(jiān)測(cè)器：加州教授為親人自創(chuàng)

低成本柔性創(chuàng)可貼式呼吸監(jiān)測(cè)器：加州教授為親人自創(chuàng)

背景

形形色色的可穿戴設(shè)備，例如智能手表、腕帶、手環(huán)、眼鏡、頭盔、頭帶、服裝、配飾等。這些可穿戴設(shè)備具備各種各樣的功能，例如運(yùn)動(dòng)計(jì)步、監(jiān)測(cè)睡眠、虛擬現(xiàn)實(shí)、通信、定位等。其中，醫(yī)療康復(fù)監(jiān)測(cè)是一個(gè)極具潛力與前景的應(yīng)用領(lǐng)域。這種類型的可穿戴設(shè)備不僅可監(jiān)測(cè)心率、體表溫度、血氧水平、運(yùn)動(dòng)量以及其他生理參數(shù)，還能監(jiān)測(cè)與肝炎、炎癥甚至胰島素有關(guān)的重要生理指標(biāo)。

通過(guò)汗液監(jiān)測(cè)人體健康狀況的手環(huán)（圖片來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校）

監(jiān)測(cè)并治療糖尿病的石墨烯腕帶（圖片來(lái)源：Hui Won Yun / 首爾大學(xué)）

監(jiān)測(cè)心率、呼吸、肌肉運(yùn)動(dòng)等健康數(shù)據(jù)的電子皮膚（圖片來(lái)源：大邱慶北科學(xué)技術(shù)院）

檢測(cè)心臟健康狀況和識(shí)別語(yǔ)音的微型聲學(xué)傳感器（圖片來(lái)源：西北大學(xué)/科羅拉多大學(xué)波德分校）

監(jiān)測(cè)皮膚深處的動(dòng)脈血壓的超聲波貼片（圖片來(lái)源：Chonghe Wang/《自然生物醫(yī)學(xué)工程》）

創(chuàng)新

今天，筆者要再為大家介紹一款用于醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)的新型可穿戴設(shè)備。

近日，美國(guó)加州大學(xué)歐文分校（UCI）的研究人員們開發(fā)出一種一次性的可穿戴呼吸監(jiān)測(cè)器。它能持續(xù)地提供高保真的讀數(shù)，幫助患有哮喘和囊性纖維化兒童及其他患有慢性肺病的人。相關(guān)創(chuàng)新成果于2月13日發(fā)表在《npj Digital Medicine》期刊上。

（圖片來(lái)源：Josh Kim / UCI）

技術(shù)

這種可低成本生產(chǎn)的傳感器，由加州大學(xué)歐文分校生物醫(yī)學(xué)工程師們采用流行的兒童玩具“Shrinky Dinks”制成。這種兒童玩具就是一些可在上面繪畫的塑料薄片，加熱之后它們的尺寸會(huì)變小。

這種像創(chuàng)可貼一樣的裝置安放在兩個(gè)位置：一個(gè)是在第九根與第十根肋骨之間，另外一個(gè)是腹部。該裝置可通過(guò)測(cè)量應(yīng)用位置的局部應(yīng)變，追蹤佩戴者的呼吸速率和呼吸量。拿哮喘來(lái)說(shuō)，采集的信息將用于在病情即將發(fā)作時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

（圖片來(lái)源：Josh Kim / UCI）

該裝置的制作方法是，將一層非常薄的金屬施加到塑料玩具薄片上，再通過(guò)熱收縮使之產(chǎn)生皺紋。然后，這種薄膜被轉(zhuǎn)移至柔軟、有彈性的材料上，類似于小型的創(chuàng)可貼，可以貼到患者身上。來(lái)自嵌入式的傳感器的信號(hào)可通過(guò)藍(lán)牙傳輸，從而在智能手機(jī)應(yīng)用程序上顯示。

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

這些裝置是在加州大學(xué)歐文分校生物醫(yī)學(xué)工程系教授 Michelle Khine 的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的。據(jù)說(shuō)，九個(gè)月前，在她的兒子出生之后，她受到啟發(fā)才去追求這一創(chuàng)新成果的。由于并發(fā)癥，新生兒被要求住在新生兒重癥監(jiān)護(hù)治療病房?jī)?nèi)，連接著一組供應(yīng)氧氣以及監(jiān)測(cè)其呼吸狀況的機(jī)器。

Khine 表示：“盡管他小小的身體全部布滿了傳感器，可是醫(yī)護(hù)人員所能獲取到的只有呼吸速率信息。如果你觀看生命體征監(jiān)測(cè)儀，你會(huì)看到這個(gè)波形，所以看上去好像他們正在獲取[呼吸量]信息，但是實(shí)際上卻并沒(méi)有?？吹轿业暮⒆犹稍谶@個(gè)盒子里，我感到很無(wú)助。我八天都無(wú)法抱他，這非常令人心碎。令人心痛的還有，看到所有這些連著他的線，卻又無(wú)法獲取到我們想要獲取的所有信息。”

她說(shuō)，她兒子出生之后在醫(yī)院的那些日子，強(qiáng)烈地啟發(fā)了作為生物醫(yī)學(xué)工程師的她：“我將他全身布滿線的照片發(fā)送給我的學(xué)生，我說(shuō)，‘我們必須做到比這樣更好。當(dāng)時(shí)是2018年。這種情況讓人非常著急。’”

目前為止，Khine 實(shí)驗(yàn)室的成員已經(jīng)在健康的受試者身上測(cè)試了這種新技術(shù)，但是他們還計(jì)劃在未來(lái)數(shù)月對(duì)少量的哮喘患者進(jìn)行試點(diǎn)測(cè)試。

受試者測(cè)試所用的硬件配置示意圖（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

價(jià)值

加州大學(xué)歐文分校生物醫(yī)學(xué)工程系研究生研究員、論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Michael Chu 表示：“目前，呼吸監(jiān)測(cè)的護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)是一種肺功能檢查，這種肺功能檢測(cè)通常難以開展，并且受到提供患者呼吸系統(tǒng)健康狀況的照片的限制，這意味著某些問(wèn)題有時(shí)會(huì)被疏忽。我們的新型可伸縮傳感器能在用戶四處走動(dòng)和正常工作時(shí)，采集有關(guān)他們肺部健康的重要信息。”

Khine 的實(shí)驗(yàn)室以采用 Shrinky Dinks 作為醫(yī)療應(yīng)用平臺(tái)而聞名。大約十年前，她創(chuàng)新地采用這種玩具去制造微流控裝置。她說(shuō)：“這令我們非常吃驚，這種兒童玩具使我們創(chuàng)造出了健壯的傳感器，這些傳感器有朝一日將造福于全世界的兒童及其他人。”

參考資料

【1】https://news.uci.edu/2019/02/13/uci-biomedical-engineers-develop-wearable-respiration-monitor-with-childrens-toy/

【2】Michael Chu, Thao Nguyen, Vaibhav Pandey, Yongxiao Zhou, Hoang N. Pham, Ronen Bar-Yoseph, Shlomit Radom-Aizik, Ramesh Jain, Dan M. Cooper, Michelle Khine. Respiration rate and volume measurements using wearable strain sensors. npj Digital Medicine, 2019; 2 (1) DOI: 10.1038/s41746-019-0083-3