这些贴片能“倾听”皮肤,追踪您的健康状况

Cardiotocograph paper is pictured as pregnant Sabine Heinrich is in labour in a delivery room of hospital in Fuerstenfeldbruck, southern Germany, January 11, 2013. The birth of her second child was planned for January 12, 2013. Cardiotocography (CTG) is used during pregnancy to monitor the fetal heartbeat and the uterine contractions. REUTERS/Michaela Rehle (GERMANY - Tags: HEALTH SOCIETY) - BM2E91M1C6701
Wearable technology could help monitor patients with sleep disorders or heart conditions.Image: REUTERS/Michaela Rehle
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为了演示这项可穿戴技术,研究人员将传感器贴在一名测试对象的手腕和腹部,通过检测皮肤随每次心跳或呼吸而发生的拉伸与收缩,监测其脉搏和呼吸。

同样,贴在此人肘部和膝部的贴片能够测量相应肌肉每次收缩时皮肤细微的紧绷或松弛,从而追踪手臂和腿部的运动。

研究人员可能会首先在医疗场景中使用这项可穿戴技术,以监测患有睡眠障碍或心脏疾病的患者,斯坦福大学化学工程教授鲍哲南(Zhenan Bao)表示。

鲍教授的实验室目前正在尝试开发新型贴片,用于感知汗液和其他分泌物,以追踪体温和压力等变量。她的最终目标是打造一组无线传感器阵列,这些传感器可贴附在皮肤上,并与智能服装协同工作,从而比消费者目前使用的智能手机或手表更精准地追踪更广泛的健康指标。

“我们认为,未来有一天有可能打造一套覆盖全身的皮肤传感器阵列,在不干扰人们正常行为的情况下收集生理数据,”鲍教授说道。她同时也是工程学院教授。

博士后学者牛思妙(Simiao Niu)和松久直司(Naoji Matsuhisa)领导了这支团队,历时三年设计这些传感器。他们的目标是开发一种佩戴舒适的技术,不需要电池或刚性电路,以防止贴片随皮肤拉伸和收缩而受到影响。

最终的设计采用了射频识别(RFID)技术的一种变体来满足这些要求,该技术常用于控制上锁房间的无钥匙门禁。当人们将身份卡靠近RFID读取器时,身份卡中的天线会从读取器获取微量的RFID能量,并利用该能量生成一个代码,再将该代码回传至读取器。

BodyNet贴片与身份卡的原理相似:它具有一个天线,可从衣物上的读取器获取入射RFID能量中的一小部分,为其传感器供电,然后读取皮肤数据,并将数据回传至附近的读取器。

但要使这种无线贴片正常工作,研究人员必须制造一种能像皮肤一样拉伸和弯曲的天线。为此,他们在橡胶贴片上丝网印刷了金属油墨。然而,每当天线弯曲或拉伸时,这些运动都会使信号变得过弱且不稳定,无法使用。

为解决这一问题,研究人员开发了一种新型RFID系统,即使在持续波动的情况下,也能向读取器发送强而精确的信号。随后,由电池供电的读取器通过蓝牙定期将贴片数据上传至智能手机、计算机或其他永久性存储系统。

贴片的初始版本依靠微型运动传感器来测量呼吸和脉搏。研究人员目前正在研究如何将汗液、温度及其他传感器集成到其天线系统中。

为了使该技术从临床应用走向面向消费者的设备,研究人员还需要克服另一项挑战:让传感器与读取器保持彼此靠近。

在实验中,他们将读取器夹在每个传感器正上方的衣物上。一对一的传感器与读取器配对在医疗监测中可以实现,但若要打造一个用户在运动时可以佩戴的BodyNet,天线则需要织入衣物之中,以便无论人们将传感器贴在何处,都能接收和发送信号。

该论文发表于《自然·电子学》(Nature Electronics)。其他共同作者来自斯坦福大学以及新加坡南洋理工大学。该研究获得了三星电子、新加坡科技研究局以及日本学术振兴会和斯坦福精准健康与综合诊断中心的支持。

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