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AirPods可以“讀腦”了？還是能同時監(jiān)測汗液乳酸濃度的那種｜Nature
發(fā)布時間：2023-11-28 14:54:36 瀏覽量：105次
效果不輸市面已有設(shè)備
西風(fēng) 發(fā)自 凹非寺
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AirPods可以監(jiān)測大腦信號了？！
還是能預(yù)測阿爾茨海默癥和帕金森的那種？
最近，一款耳內(nèi)傳感器登上了Nature。
把它“貼”在AirPods等耳機上，不僅能監(jiān)測佩戴者的腦電波，還能監(jiān)測汗液中的乳酸濃度。
如此一來，得到的數(shù)據(jù)就可用于癲癇、阿爾茨海默癥等神經(jīng)退行性疾病的早期診斷。
關(guān)鍵它還很小巧插入耳朵中幾乎看不見，且由柔性材料制作佩戴起來也很舒適。
研究人員將這款傳感器的檢測數(shù)據(jù)與市售腦電圖設(shè)備和含有乳酸的血液樣本數(shù)據(jù)進行了比較。結(jié)果證實，使用這種傳感器收集的數(shù)據(jù)與現(xiàn)有方法檢測出的結(jié)果基本一致。
其實早在幾個月前，蘋果就為AirPods申請了一項設(shè)計專利，瞄準(zhǔn)的就是能夠監(jiān)測腦電圖、肌電圖、心電圖等生物信號這個方向。
但沒想到蘋果這邊還沒啥動靜，就有相關(guān)研究搶先做出來了。
所以這款傳感器到底長啥樣？
佩戴舒適且能貼合不同耳型
此前臨床數(shù)據(jù)已證實，監(jiān)測和控制代謝物（如乳酸）水平對提高大腦功能、增強神經(jīng)可塑性和血管生成方面具有促進作用。
但目前將腦電信號和代謝物水平監(jiān)測集成到單一可穿戴傳感器設(shè)備的研究很少，尤其還是像耳機這樣小巧型的。
主要是因為不同傳感模式的傳感器之間存在串?dāng)_，繼而會影響測量信號的準(zhǔn)確性。
而且在身體上找一個最佳的“共傳感”位置也很重要。
為了解決上述問題，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究團隊研究了耳內(nèi)功能結(jié)構(gòu)，并使用特殊的布局設(shè)計、材料以及制造工藝，制成了這款集成的耳內(nèi)傳感器。
耳內(nèi)自然是“共傳感”的絕佳位置之一，主要是因為其不僅鄰近中樞神經(jīng)系統(tǒng)、主要脈管系統(tǒng)和聽覺皮層，還有多個外分泌汗腺，并且具有錨固結(jié)構(gòu)、機械穩(wěn)定。
但是耳內(nèi)空間極其有限、不同人的解剖結(jié)構(gòu)變化很大，所以開發(fā)一種通用的耳內(nèi)傳感器仍是一個不小的挑戰(zhàn)。
下面來看研究人員具體是如何設(shè)計的。
首先為了獲得最佳集成效果，研究人員根據(jù)耳道內(nèi)的功能設(shè)置了傳感器的布局。
他們找來了參與者進行耳汗分布測試，確定耳道內(nèi)汗腺分泌較多的區(qū)域。
然后將電化學(xué)電極（監(jiān)測汗液中乳酸濃度）朝向這些區(qū)域。而電生理電極（監(jiān)測腦電波）則朝向顳葉區(qū)域，也就是更接近腦電信號源。
△白色虛線輪廓表示電化學(xué)（左）和電生理（右）電極的位置
在結(jié)構(gòu)上，用于監(jiān)測腦電波的部分采用了3D立體設(shè)計和“發(fā)條”支撐結(jié)構(gòu)，不僅保證了與不同耳型的貼合性，也進一步增大了與耳道皮膚的接觸面積，從而獲得更強更穩(wěn)定的腦電信號。
而監(jiān)測乳酸濃度的部分表面覆蓋了PVA凝膠層，該凝膠層具有親水性和多孔結(jié)構(gòu)，能夠有效吸收和聚集汗液，提高了乳酸檢測的靈敏度和穩(wěn)定性。
此外，傳感器的制成材料大多具有耐化學(xué)性和拉伸性，蛇形線路設(shè)計也進一步提高了延展性，橫向拉伸20%也能保持正常工作。
為了能與大多數(shù)耳機硅膠耳套整合在一起，傳感器還帶有一個粘合層的平底，整體結(jié)構(gòu)如下：
△中間還包含SEBS材料制成的絕緣層
制造過程則是采用了快速且低成本的打印-粘合-組裝工藝：
△傳感器打印以及與電子設(shè)備黏貼組裝
配備傳感器的耳機制成了，下面來看性能測試結(jié)果。
腦電、乳酸雙模精準(zhǔn)監(jiān)測
先來看腦電波的傳感性能。
研究人員進行了阻抗測試，發(fā)現(xiàn)傳感器與耳道界面阻抗良好；直流偏置測試結(jié)果，也顯示傳感器的偏置電壓分布正常。
眼電圖測試證明傳感器可用于眼電圖信號的檢測；聽覺穩(wěn)態(tài)響應(yīng)測試也表明傳感器可用于聽覺腦電信號的檢測。
針對乳酸傳感性能，研究人員測試了傳感器的線性范圍、選擇性、穩(wěn)定性等指標(biāo)，結(jié)果也都優(yōu)異。
此外，串聯(lián)測試表明兩種傳感模式可以同時工作，可以消除短暫串?dāng)_。
隨后研究人員又進行了人體實驗，讓5名參與者進行有氧運動，監(jiān)測腦電波和乳酸變化。
結(jié)果結(jié)果顯示運動前后腦電波各頻段和乳酸濃度發(fā)生一致性升高和降低，也就是實現(xiàn)了兩種模式的連續(xù)、同步感測。
總的來說，相較于現(xiàn)有技術(shù)，該傳感器形式因子小、佩戴舒適度高、可以用于日常健康監(jiān)測。
但研究人員也指出該研究也存在一些局限。
比如，實驗僅測試了單次20分鐘的急性運動，未進行長時間的持續(xù)監(jiān)測，無法觀察長期效應(yīng)；研究僅針對健康人群，沒有在特定病患群體中驗證傳感器的監(jiān)測效果；雖然研究表明兩種傳感模式可以同時使用，但未完全排除串?dāng)_的影響。
此外，研究人員還指出之后可以與低功耗集成電路結(jié)合，進一步提高便攜性。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01095-1
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