柔軟的可穿戴健康監(jiān)視器使用可拉伸的電子設備

采用可伸縮電子設備構建的無線可穿戴式監(jiān)視器可以對成人，嬰兒和小孩進行舒適，長期的健康監(jiān)測，而無需擔心傳統(tǒng)粘合劑傳感器導電凝膠引起的皮膚損傷或過敏反應。

柔軟且舒適的監(jiān)視器可以將心電圖(ECG)，心率，呼吸率和運動活動數(shù)據(jù)廣播15米到便攜式記錄設備，例如智能手機或平板電腦。電子器件安裝在可拉伸的基板上，并通過印刷連接器連接到金色皮膚狀電極，印刷連接器可以與嵌入它們的醫(yī)用薄膜一起拉伸。

“這款健康監(jiān)測器對于一直在移動的幼兒來說具有一個關鍵優(yōu)勢，因為柔軟的保形裝置可以輕柔地融入皮膚，從而適應這種活動，”George W. Woodruff學校助理教授Woon-Hong Yeo說。機械工程系和華萊士H.庫爾特佐治亞理工學院生物醫(yī)學工程系。“這是為了滿足敏感皮膚可能受到傳統(tǒng)顯示器傷害的人們的電子健康監(jiān)測需求。”

7月24日在“ 高級科學 ”雜志上報道了該監(jiān)測器的詳細情況。該研究得到了亞特蘭大兒童醫(yī)療保健的Imlay創(chuàng)新基金，NextFlex(柔性混合電子制造研究所)以及佐治亞理工學院電子和納米技術研究所的種子基金的支持。已經(jīng)對動物模型和人類進行了研究。

因為該裝置符合皮膚，所以它避免了通過皮膚上典型的金屬 - 凝膠電極的運動可能產(chǎn)生的信號問題。該設備甚至可以從走路，跑步或爬樓梯的人那里獲得準確的信號。

“當你將一個傳統(tǒng)的電極放在胸部時，坐起或走路時的運動會產(chǎn)生運動偽影，這些運動偽像很難與你想要測量的信號分開，”他說。“因為我們的設備柔軟且保形，它隨著皮膚移動，并提供傳統(tǒng)傳感器的運動偽影無法看到的信息。”

亞特蘭大兒童醫(yī)療保健中心的兒科心臟病專家凱文馬赫博士說，使用無線健康監(jiān)測器進行持續(xù)評估可以改善對兒童的評估，并幫助臨床醫(yī)生更早地識別趨勢，可能在病情發(fā)展前促進干預。

“來自呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的連續(xù)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生可以允許應用先進的診斷來檢測臨床狀態(tài)的變化，對治療的反應和早期干預的實施，”Maher說。“一種真正跟隨孩子每次呼吸的裝置，可以在更嚴重的疾病表現(xiàn)之前進行早期識別和干預。”

他說，在家中使用時，可穿戴顯示器可能會檢測到可能無法顯現(xiàn)的變化。在臨床環(huán)境中，無線設備可以讓兒童感覺不那么“束縛”在設備上。“我認為這種設備是兒科醫(yī)療保健方面的重大變化，我很高興能與喬治亞理工學院合作開展該項目，”Maher補充道。

該顯示器使用嵌入薄膜中的三個金電極，其中還包含電子處理設備。整個健康監(jiān)視器的直徑只有3英寸，正在開發(fā)的更高級版本將只有一半大小。無線顯示器現(xiàn)在由一個小型可充電電池供電，但未來版本可能會用外部射頻充電系統(tǒng)取代電池。

由于需要對兒童進行門診監(jiān)測，Yeo和他的合作者，包括第一作者和博士后研究員Yun-Soung Kim，正專注于兒科應用。然而，他們設想健康監(jiān)測器也可用于其他患者群體，包括可能也有敏感皮膚的老年人。對于成年人來說，還有其他優(yōu)點。

“顯示器可以佩戴多天，也許長達兩周，”Yeo說。“這種隔膜具有防水功能，因此成人可以在穿著時淋浴。使用后，電子元件可以回收利用。”

已經(jīng)開發(fā)了兩種版本的監(jiān)視器。一種是基于醫(yī)用膠帶，設計用于醫(yī)院或其他護理機構的短期使用，而另一種則使用經(jīng)批準用于傷口護理的柔軟彈性體醫(yī)用薄膜。后者可以在皮膚上保留更長時間。

“這些設備完全干燥，不需要凝膠就能從皮膚上獲取信號，”Yeo解釋道。“皮膚和超薄傳感器之間沒有任何東西，所以佩戴起來很舒服。”

由于監(jiān)護儀可以長時間佩戴，因此可以提供心電圖數(shù)據(jù)的長期記錄，有助于了解潛在的心臟問題。“我們使用深度學習來監(jiān)測信號，同時將它們與來自更大一組患者的數(shù)據(jù)進行比較，”Yeo說。“如果檢測到異常，可以通過智能手機或其他連接設備進行無線報告。”

顯示器電路的制造采用薄膜網(wǎng)狀銅圖案，可以與軟基板一起彎曲。芯片是唯一不靈活的部件，但它們安裝在應變隔離的軟基板上，而不是傳統(tǒng)的塑料電路板上。

作為后續(xù)步驟，Yeo計劃減小設備的尺寸并添加功能以測量其他與健康相關的參數(shù)，如溫度，血氧和血壓。一個重要的里程碑是用于評估傳統(tǒng)健康監(jiān)測器性能的臨床試驗。

對于專注于納米和微觀工程的Yeo來說，在臨床試驗中看到該設備并最終用于兒童醫(yī)院的前景是一個強有力的激勵因素。

“對于我來說，看到我們開發(fā)的東西對受苦的人有幫助，這將是一個夢想成真，”他說。“我們都希望看到科學和工程的發(fā)展轉化為改善患者護理。”