可穿戴传感技术极大地扩展了健康监测和人机界面的应用，弥合了传统临床仪器与远程和日常医疗的迫切需求之间的差距。高性能、可拉伸和适形皮肤界面方面的最新进展为我们提供了在高度可穿戴设备中进行不引人注目的生理和代谢监测的机会。这些传感模式中的几个可以集成，以提供更大的功能，感兴趣的生物信号方便地共同定位。
基于此，美国加州大学圣地亚哥分校Gert Cauwenberghs教授、Joseph Wang教授、Sheng Xu教授和Patrick Mercier教授合作利用耳朵的外分泌汗腺，描述了一种将电化学和电生理传感器集成到耳内的集成阵列，该阵列放置在用户通用耳机周围的柔性衬底上，通过脑电图、眼电图和皮肤电活动同时监测乳酸浓度和大脑状态（图1）。在进行一次急性运动的志愿者中，该设备检测到汗液中乳酸水平升高，与此同时，所有脑电图频段的大脑活动都发生了调节。在真实世界环境中，对代谢生物标志物和脑电生理同时进行的连续、不受干扰的耳内监测可能有助于发现脑和身体生物标志物之间的动态和协同作用，用于长期健康监测或检测或监测神经退行性疾病。相关工作以“In-ear integrated sensor array for the continuous monitoring of brain activity and of lactate in sweat”发表在《Nature biomedical engineering》。第一作者为Yuchen Xu和Ernesto De la Paz。
图1. 入耳式集成传感器设计
研究者在多种信号条件下表征了入耳集成传感器的电生理感知性能，并使用商用干接触EEG耳机进行了对照验证。减少接触损失的可能性，增加有效接触面(扩展数据图2q-v)。电极-耳阻抗的特征包括10 Hz的连续测量(EEG alpha波段，图2a,b)和1 Hz - 1 kHz的电化学阻抗谱(EIS)(图2c,d)。连续阻抗测量显示，由于接触区域分泌的汗液积累，电极-耳界面阻抗逐渐和一致地降低，这是耳内的电皮肤活动。平均而言，结果显示在50 Hz时，平面电极尺寸为12.56 mm2的386 kΩ电极-耳阻抗，与最先进的入耳干电极(对于60 mm2电极面积，50 Hz时为377 kΩ)的阻抗相当25，但尺寸更小。内耳集成传感器的电极直流电(DC)偏移(EDO)主要是由于不同的电生理和REF电极尺寸、电极表面杂质小以及不同出汗条件下离子浓度的微小变化。图2e,f显示了正态分布的拟合结果，平均值和标准差分别为0.59 mV和21 mV，记录的最大EDO (51.30 mV)在本工作中使用的模拟前端的±187 mV输入范围内。
图2. 耳内电生理传感能力的表征
首先，在建立的汗液乳酸浓度范围内，对耳内电化学传感器的性能进行了体外评估。如图3a所示，连续添加5 mM乳酸显示出传感器定义良好的电流响应增加。传感器的进一步表征涉及传感器在汗液中发现的相关干扰成分存在时的选择性反应。如图3b所示，添加2 mM的乳酸增加了传感器的电流响应。连续加入乳酸(LA)、对乙酰氨基酚(AC)、抗坏血酸(AA)、葡萄糖(Gluc)和尿酸(UA)，电流变化可忽略不计。这种对乳酸的特异性反应反映了选择性生物受体和施加在基于pb的换能器上的- 0.2 V的低电位步骤的结合。图3c中显示的在固定浓度下(即10 mM)进行18次重复CA扫描后，传感器响应的相对变化显示出最小的变化(<5%)，表明了电化学换能器上的酶层的有效包封。此外，传感器的操作稳定性已通过连续扫描约1小时对乳酸中的10 mM步骤的持续响应得到验证(图3d)。在不同的温度和湿度水平下，电化学传感器的分析性能与耳内环境和人体生理条件相匹配40,41，在不同的乳酸浓度下进行了评估。图3e显示了在25℃到40℃范围内的温度下电流与浓度的斜率(μA/mM)的灵敏度。在这一温度范围内，可以忽略斜率的差异，这可能是由于乳酸氧化酶的活性保持和稳定的传感器矩阵。同样，传感器在40%到70%的湿度水平上显示出一致的斜率(图3f)，这可能归因于湿界面PVA凝胶抵抗了环境湿度水平波动的影响。在体外表征后，在穿戴有和没有酶层的传感器进行固定运动之前、期间和之后，评估电化学传感器对汗液中乳酸的响应。在检测的每一步，我们使用市售血乳酸仪采集血样，用于验证目的。酶层修饰的传感器在开始静止运动10 min后，与初始值相比，电流增加了Δi=−0.4 μA。同时，血乳酸水平在实验的这一阶段达到最大值(图3g,h)。
图3. 耳内电解乳酸传感能力和集成共传感能力的表征
之前的研究发现，在剧烈运动期间和之后，包括theta (4-8 Hz)、alpha (8-12 Hz)和beta (13-30 Hz)在内的宽频带升高，这是由外周生理(而不仅仅是大脑本身)的变化驱动，并且在运动后约10分钟恢复到运动前的基线静息状态EEG水平43,44。在这个联合感知实验中，5名健康参与者被指示进行20分钟的自行车运动，以及运动前α调制和运动后α调制测量在4个时间点:t 0(运动前)，t 1(运动后即刻)，t 2(运动后3分钟)和t3(运动后放松)，如图4的时间轴所示。在整个运动实验过程中同步进行脑电图和乳酸感知。我们进行了运动前和运动后的α调制分析和脑状态分类，以表征参与者在整个运动过程中的脑状态变化。图4a-d展示4次(t0至t3)时参与者平均α调制结果。扩展数据图10显示所有个体参与者的运动前基线和运动后α调制光谱。与之前的观察结果43,44一致，EEG PSD从运动前的基线水平(图4a,e)转变为运动后整个θ、α和β频段的升高水平(图4b,e)，最终恢复到运动前的基线水平(图4c-e)。
图4. 五名参与者在运动前、运动中和运动后的脑电图和乳酸综合传感
【小结】
研究者报告了用于监测脑状态和乳酸浓度动态变化的全耳入式集成传感器的结果。在剔除时间安培驱动电位的起始瞬态伪影后，实现了两种模式的连续和同时传感。总体而言，与运动前基线相比，运动后传感器显示出可观察的变化程度。这项工作扩展了之前的入耳系统，通过完全在耳朵内的一个完全集成的用户通用设备，展示了集成的脑状态和动态化学监测。这里展示的原理论证使用的是现成的数据采集系统，没有针对功率和尺寸进行优化，而是针对传感器表征所需的可靠性能进行了优化。传感器电子集成方面的进一步进展，包括我们的低功耗、低噪声模拟前端信号放大、滤波和采集集成电路设计，以及在大规模人群中进行的临床验证，有望带来大量可穿戴诊断和治疗应用。
来源：高分子科学前沿
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