可穿戴的呼吸监测器：用儿童玩具开发而成！

互推小编 2024-02-11

导读

近日，美国加州大学欧文分校的研究人员们开发出一种一次性的可穿戴呼吸监测器。它能持续地提供高保真的读数，帮助患有哮喘和囊性纤维化儿童及其他患有慢性肺病的人。

背景

如今，市场上充满了形形色色的可穿戴设备，例如智能手表、腕带、手环、眼镜、头盔、头带、服装、配饰等。这些可穿戴设备具备各种各样的功能，例如运动计步、监测睡眠、虚拟现实、通信、定位等。

其中，医疗健康监测是一个极具潜力与前景的应用领域。这种类型的可穿戴设备不仅可监测心率、体表温度、血氧水平、运动量以及其他生理参数，还能监测与肝炎、炎症甚至胰岛素有关的重要生理指标。

可穿戴设备采集的数据与信息，不仅可帮助病人及时了解健康状况以及疾病治疗情况，还能在某些疾病发作之前进行预警，或者在疾病发作时让病人能及时得到医疗照顾。

通过汗液监测人体健康状况的手环（图片来源：加州大学伯克利分校）

监测并治疗糖尿病的石墨烯腕带（图片来源：Hui Won Yun / 首尔大学）

监测心率、呼吸、肌肉运动等健康数据的电子皮肤（图片来源：大邱庆北科学技术院）

检测心脏健康状况和识别语音的微型声学传感器（图片来源：西北大学/科罗拉多大学波德分校）

监测皮肤深处的动脉血压的超声波贴片（图片来源：Chonghe Wang/《自然生物医学工程》）

创新

今天，笔者要再为大家介绍一款用于医疗健康监测的新型可穿戴设备。

近日，美国加州大学欧文分校（UCI）的研究人员们开发出一种一次性的可穿戴呼吸监测器。它能持续地提供高保真的读数，帮助患有哮喘和囊性纤维化儿童及其他患有慢性肺病的人。相关创新成果于2月13日发表在《npj Digital Medicine》期刊上。

（图片来源：Josh Kim / UCI）

技术

这种可低成本生产的传感器，由加州大学欧文分校生物医学工程师们采用流行的儿童玩具“Shrinky Dinks”制成。这种儿童玩具就是一些可在上面绘画的塑料薄片，加热之后它们的尺寸会变小。

这种像创可贴一样的装置安放在两个位置：一个是在第九根与第十根肋骨之间，另外一个是腹部。该装置可通过测量应用位置的局部应变，追踪佩戴者的呼吸速率和呼吸量。拿哮喘来说，采集的信息将用于在病情即将发作时进行预警。

（图片来源：Josh Kim / UCI）

该装置的制作方法是，将一层非常薄的金属施加到塑料玩具薄片上，再通过热收缩使之产生皱纹。然后，这种薄膜被转移至柔软、有弹性的材料上，类似于小型的创可贴，可以贴到患者身上。来自嵌入式的传感器的信号可通过蓝牙传输，从而在智能手机应用程序上显示。

（图片来源：参考资料【2】）

这些装置是在加州大学欧文分校生物医学工程系教授 Michelle Khine 的实验室开发的。据说，九个月前，在她的儿子出生之后，她受到启发才去追求这一创新成果的。由于并发症，新生儿被要求住在新生儿重症监护治疗病房内，连接着一组供应氧气以及监测其呼吸状况的机器。

Khine 表示：“尽管他小小的身体全部布满了传感器，可是医护人员所能获取到的只有呼吸速率信息。如果你观看生命体征监测仪，你会看到这个波形，所以看上去好像他们正在获取[呼吸量]信息，但是实际上却并没有。看到我的孩子躺在这个盒子里，我感到很无助。我八天都无法抱他，这非常令人心碎。令人心痛的还有，看到所有这些连着他的线，却又无法获取到我们想要获取的所有信息。”

她说，她儿子出生之后在医院的那些日子，强烈地启发了作为生物医学工程师的她：“我将他全身布满线的照片发送给我的学生，我说，‘我们必须做到比这样更好。当时是2018年。这种情况让人非常着急。’”

目前为止，Khine 实验室的成员已经在健康的受试者身上测试了这种新技术，但是他们还计划在未来数月对少量的哮喘患者进行试点测试。

受试者测试所用的硬件配置示意图（图片来源：参考资料【2】）

价值

加州大学欧文分校生物医学工程系研究生研究员、论文领导作者 Michael Chu 表示：“目前，呼吸监测的护理标准是一种肺功能检查，这种肺功能检测通常难以开展，并且受到提供患者呼吸系统健康状况的照片的限制，这意味着某些问题有时会被疏忽。我们的新型可伸缩传感器能在用户四处走动和正常工作时，采集有关他们肺部健康的重要信息。”

Khine 的实验室以采用 Shrinky Dinks 作为医疗应用平台而闻名。大约十年前，她创新地采用这种玩具去制造微流控装置。她说：“这令我们非常吃惊，这种儿童玩具使我们创造出了健壮的传感器，这些传感器有朝一日将造福于全世界的儿童及其他人。”

关键字

传感器、可穿戴设备、医疗

参考资料

【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

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