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可穿戴医疗设备再现新转机:表皮电子技术新突破

2016-12-07 14:26
木中君
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  一提起可穿戴设备,我们脑海里会想起苹果手表、谷歌眼镜以及Fitbit手环,然而,这些可穿戴设备体型仍然很大,并且能测量的人体数据比较有限,仍然停留在非常基础的数据上,更深入的数据,脑电图、肌电图、心电图和汗液都无法测量,这就限制了可穿戴设备在健康医疗上的应用,因此不少人认为现在的可穿戴设备仍然是一个看起来很炫酷的「玩具」,中看不中用。

  对此,科学家们想要用一种全新的方式来定义可穿戴设备,这种可穿戴是电子学与生物学的融合,质量非常轻,无需戴在手上,而是像刺青或者贴画一样直接黏在皮肤上,能够测量人体更丰富的数据,而这种可穿戴设备,就是「表皮电子」,也叫「电子纹身」。

  这个月,《科学》杂志上连续发表了两篇有关「表皮电子」的新突破,一项是11月23日发表在Science Translational Medicine期刊上,能够在人运动中测量人体汗液表皮电子,另外一项是11月16日发表在Science Advances期刊上,能够测量心电图和肌电图,还能充当「人机接口」角色的表皮电子。这两项研究,都在同一个人指导下完成,那就是国际知名的柔性电子学专家约翰·罗杰斯(John Rogers)。

  约翰·罗杰斯(John Rogers)

  约翰罗杰斯教授于1995年在麻省理工学院(MIT)获得了物理化学博士学位,之后曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究组组长。从2003年开始,罗杰斯教授在伊利诺伊大学香槟分校担任化学工程系教授至今。并从今年9月份开始,担任西北大学生物集成电子中心的教授兼主任。

  1.能够测汗液成分的可穿戴设备

  上图就是罗杰斯教授研发的能够在运动中测量汗液成分的表皮电子。这个漂亮的可穿戴设备非常轻巧,而且很柔软,采用医用级丙烯酸胶膜,对皮肤无刺激性,这种材料能够让「贴片」稳定、结实、无缝地黏在皮肤上,即使在头发覆盖的头皮处或在出汗很大的地方也能牢固地黏上。它的功能非常强大,可以根据使用者运动时产生汗水里的代谢物和电解质,监测到用户的身体健康情况,并将数据实时同步到智能手机上。不过这种硬币大小的皮肤贴片是一次性使用的,本身无需充电,有效使用时间仅为几个小时。

  储存器的试剂与汗液作用后会颜色会改变

  这个皮肤贴片由三个部分叠加:首先是与皮肤相容的胶粘层可以收集汗水。其次是四个单独的圆形「储存器」中,每个「储存器」中包含了不同的试剂,代表着葡萄糖、氯化物、乳酸盐和pH指数,当汗液流入这里后便会和试剂发生化学反应,然后「储存器」颜色会相应地改变。最后是一个环形天线,可以通过NFC(近距离无线通讯技术)传递数据到智能手机上。

  利用智能手机分析分析汗液成分

  使用者会在手机上安装一个相应的APP,首先利用智能手机的照相机功能进行「白平衡」的校准,确定此时的光和阴影。校准后拍摄变色后的「皮肤贴片」,根据储存器RBG变化来确定收集汗液中的葡萄糖、氯化物、乳酸盐和pH指数,研究人员称可以可靠地测量0.5单位的pH单位,0.2单位的氯化钠,0.3单位的乳酸,和0.1单位的葡萄糖的浓度,分别对应于在RGB图像的R通道1%的变化。

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