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01
内容概览
现有技术缺点：
当前可穿戴生物电子设备普遍依赖刚性固体材料，难以与动态生物组织（如皮肤）良好适应，导致信号干扰和不稳定性。 传统监测方法（如心电图、超声等）仅能提供瞬时测量，缺乏连续性，限制了对心血管健康的全面评估。
文章亮点：
作者开发了一种可重构的液体心脏传感器，利用永久流体磁体（PFM）技术，实现与动态生物组织的高适应性。
PFM具有良好的流动性和可重构性，可以有效填充皮肤表面的复杂形状，确保信号的准确性和稳定性。
实验结果显示，该液体传感器在动态环境中能够生成高质量的心脏监测信号（23.1 dB），并与心电图等基准设备进行了有效比较。
应用场景：
该液体心脏传感器适合用于动态监测心脏活动，能够在日常生活中持续监测心率和脉搏波，为心血管疾病的早期检测提供支持。
可与人工智能和机器学习算法结合，提升监测的准确性，便于患者进行自我健康管理和及时干预。
总结：
本文介绍的液体心脏传感器通过采用PFM技术，解决了传统传感器在动态监测中的界面问题，提供了一种新型的可穿戴生物电子设备。这项技术不仅提升了心脏监测的准确性和稳定性，也为心血管疾病的实时诊断和管理带来了新的可能性，预示着医疗健康服务向更个性化、连续监测的方向发展。
文章名称：A reconfigurable and conformal liquid sensor for ambulatory cardiac monitoring
期刊：Nature Communications
文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52462-8
通讯作者：加利福尼亚大学Jun Chen
02
图文简介
创建液体心脏传感器
图1 可重构且共形人体的液体心脏传感器。 a 液体心脏传感器的图片。比例尺，1厘米。b 示意图显示传统固态生物电子设备与皮肤表面之间的间隙。c 示意图展示液体心脏传感器液滴在地形复杂表面上的可重构性。d 示意图演示液体心脏传感器对动态皮肤表面的优良贴合性。e 皮肤表面轮廓图。f 图示显示磁性纳米颗粒在PFA内排列成链状网络。g 载液的化学结构图：二氧化硅和海藻酸钠。
图 2 动态磁场和温度对3D ORM 网络结构的影响。a 不同温度下的 ORM 网络结构，温度范围为 320 K (≈ 47 °C) 到 260 K (≈ − 13 °C)。b 不同温度下的磁滞回线。c 温度变化从 320 K (≈ 47 °C) 变为 260 K (≈ − 13 °C) 在灰色方框放大的区域内的影响。d 专门在 z 方向产生的磁脉冲以磁化 ORM 网络结构。插图为电容器生成磁脉冲的示意图。e 装满 PFM 的注射器放置在线圈内以进行材料操作的示意图。f 构建有限元分析以模拟注射过程。g 单个液滴的磁场。h 在不同方向上磁化的单个液滴的磁场。i 两个液滴的磁场。j 在另一方向上磁化的两个液滴的磁场。k 倾斜液滴的磁场。l 在另一方向上磁化的倾斜液滴的磁场。
了解PFA的磁性
作者通过观察微计算机断层扫描图像来研究PLM液滴在三维中的磁性行为。图3a展示了3D ORM网络结构的显微镜图像。相应的微计算机断层扫描图像见图3b-d。作者还测量了液滴在三维空间中产生的磁场。通过对PFM的磁场进行表征，能够更好地了解脉冲波在患者体内引起的磁通变化。
图3 PFM液滴的磁场特性表征。a 3D ORM网络结构的显微镜图像。比例尺，10 µm。b–d 网络结构的微型计算机断层扫描图像。e, f 网络结构形成的Monte Carlo模拟。g 两种不同状态下手腕皮肤的断层图像。比例尺，4 mm。h–j 液体心脏传感器应用于手腕的有限元模拟。k–m 液体心脏传感器在状态II下应用于手腕的有限元模拟。
图4 液体心脏传感器的磁场映射。液体传感器在其z轴上的磁场映射，拉伸前(a)和拉伸后(b)。c 拉伸前后液体传感器沿z轴的磁场强度。液体传感器在其y轴上的磁场映射，拉伸前(d)和拉伸后(e)。f 拉伸前后液体传感器沿y轴的磁场强度。液体传感器在其x轴上的磁场映射，拉伸前(g)和拉伸后(h)。i 拉伸前后液体传感器沿x轴的磁场强度。j 液体传感器在附着于潮湿皮肤时被翻转。比例尺，5毫米。k PFM的磁场测量持续三小时。l 液体心脏传感器在干燥皮肤和汗湿皮肤上的测试。
可穿戴心脏监测
基于液体的生物电子技术的一个主要优势在于其对复杂表面（如人类皮肤）的近乎完美的贴附性（见图5a, b）。
图5 基于PFM的液体传感器用于连续心脏监测。a 3D扫描技术用于捕获皮肤表面的断层图像。比例尺，8毫米。b 皮肤表面的放大视图。比例尺，3毫米。c 腕部液体心脏传感器的图像。比例尺，8毫米。d 液体心脏传感器的电路图，包括微控制器（MCU）、封装、电池和无线模块。e 仅使用软线圈进行脉搏波监测。f 液体传感器的脉搏波特性。g 使用不同PFM体积（20、30和50 µl）测试液体传感器。h 在两个位置同时测量的液体传感器：一个在额头上，一个在腕部。i 当PFM稍微扩散时测量的磁场。j 液体传感器在扩散前和扩散后的测试。k 液体传感器与金标准光电容积描记（PPG）传感器的比较。l 作者的设备与PPG传感器在信噪比（SNR）方面的比较。
03
文献来源
Zhao, X., Zhou, Y., Kwak, W. et al. A reconfigurable and conformal liquid sensor for ambulatory cardiac monitoring. Nat Commun 15, 8492 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52462-8
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