"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍可穿戴电子设备在监测人体外部和内部器官健康中的最新进展，尤其是如何将这些设备应用于疾病诊断和健康管理。文章重点介绍了眼睛、皮肤、口腔等器官的监测技术创新，如通过智能隐形眼镜监测泪液中的葡萄糖、眼压传感器预防青光眼、皮肤电阻监测伤口愈合、口腔传感器分析唾液成分等。此外，文章也详细讨论了深层器官如心脏、肺部等的无创监测技术，如超声波传感器和电阻抗断层成像等。这些设备的优势在于体积小、成本低、操作简便，能够实时提供重要的生理数据。尽管可穿戴技术在医学领域有广阔的前景，但文章也指出当前面临的挑战，如生物兼容性、信号干扰及数据处理问题。未来的发展方向是结合人工智能和远程监控，进一步提升诊断和治疗的精度与效率。 |
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今天的文章中，超哥主要为大家介绍可穿戴电子设备在监测人体器官健康中的最新进展，重点介绍了这些设备如何将外部和内部健康评估联系起来。文章分为多个部分，涵盖了不同器官的监测，包括眼睛、皮肤、口腔、心脏、肺、胃等器官，并详细介绍了用于每个器官系统的可穿戴电子设备材料、设计以及传感机制。这些设备的创新使得从皮肤表面到深层内部器官的信息采集成为可能，极大地提升了疾病诊断的准确性和实时性。
不同器官可穿戴电子设备在医疗健康监测中的应用概览
历史上，医学领域一直在努力开发无创技术来观察体内的健康状况，如X射线、CT和MRI技术。然而，这些技术的设备通常体积大、成本高，需要专业操作人员，并且难以进行实时监测。而随着技术的发展，能够实时监测人体表面和内部器官的可穿戴设备越来越受到关注。这些设备体积小、易于佩戴，能够进行长时间的监控，并且应用广泛，例如在监测眼睛、皮肤、口腔等器官的健康状况时具有独特的优势。
对比用于监测内部器官的微创设备与可穿戴设备：(i) 微创设备：通过直接接触内部器官来测量信号。这类设备需要侵入性手术或植入到体内，能够获取高精度的生物信号，适合需要直接、精准测量的临床应用。然而，由于其侵入性，通常伴随着潜在的感染风险、患者不适和长期使用的限制。(ii) 可穿戴设备：旨在通过非侵入性的方式监测生物信号。可穿戴设备不需要手术或植入，可以长期使用，适合持续监测患者的健康状况。这类设备通过皮肤或外部传感器获取信息，尽管信号精度可能低于微创设备，但它提供了更安全、舒适的健康监测方式，且适用于日常生活中的健康管理。
眼睛是人类最复杂的器官之一，不仅在视力上至关重要，还能够提供有关脑部、精神健康等多方面的信息。文章详细介绍了几种先进的眼部可穿戴设备：
眼动监测：通过电子皮肤传感器、石墨烯电子纹身等手段监测眼球运动。这些设备不仅轻便、柔软，而且能长期佩戴，提供准确的眼动数据。
泪液监测：通过智能隐形眼镜等设备，实时监测泪液中的葡萄糖、皮质醇等生物标志物，帮助诊断糖尿病、压力水平和其他健康问题。
眼压监测：主要针对青光眼等疾病，通过压阻或电容式传感器，监测眼内压的变化，及时预防视力受损。
用于眼动监测的可穿戴电子设备。（A）示意图显示了带正电的角膜和带负电的视网膜的眼球结构，以及用于八个方向眼动的摩擦电信号强度的图示。（B）示意图展示了PI-MNA电极的结构，解释了使用柔性MNA电极进行极微创生物电势采集的原理，以及用于基于EOG的无线记录的佩戴位置和水平眼动期间的EOG波形。（C）照片展示了安装在皮肤上的超薄网状电极，以及用于眼辐合检测的可穿戴便携系统，该系统使用了类似皮肤的电极和柔性电路，具有在虚拟现实系统中用于治疗干预的潜在应用。（D）示意图展示了通过3D打印的智能电子眼镜进行眼动实时感测。（E）示意图展示了由嵌入线圈、询问电路和用于通过无线通信与固定设备（如个人电脑或智能手机）感测眼睑眨眼和眼部眨动的毫米级无源谐振器组成的可穿戴眼睑驱动系统。
皮肤与伤口监测
皮肤是人体最大的器官，皮肤可穿戴设备已广泛应用于伤口愈合的监测：
生物标志物监测：传感器能够实时检测乳酸、炎症因子等伤口愈合过程中的关键化学成分，为伤口愈合提供指导。
电阻抗监测：通过监测皮肤电阻变化，判断伤口的感染程度和恢复情况。这些监测手段提高了患者的伤口护理质量，尤其是慢性伤口和糖尿病患者的康复。
用于伤口监测的设备。（A）乳酸浓度通过氧化还原反应转化为电压。（B）示意图展示了一个用于多种与伤口相关生物标志物的传感器。适配体与特定目标物质结合，引起电信号变化。（C）示意图和照片展示了用于检测慢性伤口感染的智能绷带。多个生物标志物在伤口感染后会发生水平变化.（D）示意图展示了基于DNA凝胶的伤口感染传感器。细菌会降解DNA凝胶，从而改变电极之间的电容，电容根据感染程度转化为电压信号
口腔健康监测
口腔作为人体与外界环境的连接部位，含有丰富的生物标志物，适合开发可穿戴设备进行无创监测：
唾液监测：基于唾液中的葡萄糖、钠离子等，设计了智能护齿设备和口腔传感器，可以监测口腔健康，甚至用于糖尿病等系统性疾病的诊断。
食物摄入监测：通过佩戴在牙齿上的传感器，实时检测饮食中的钠含量等，有助于管理高血压患者的饮食。
用于口腔健康监测的可穿戴电子设备。（A）示意图展示了无线奶嘴生物传感器及普鲁士蓝电极上葡萄糖酶传感的原理。（B）无线口腔内电子设备，通过多孔膜上的电路互连，实时监测并量化钠的摄入量，能够与口腔矫治器贴合。（C）示意图展示了一种微型、无电池、可穿戴的牙贴系统，包含用于原位监测口腔微环境和按需药物递送的控制电路和电极阵列；图表显示了电化学传感器在pH值从8到3变化时的潜在响应，以及电控氟化物释放的示意图。（D）示意图展示了一个电容传感器、读取器电感链路及植入在牛头骨下颚中的传感器，图表显示了电容与骨深度的变化关系。
内脏器官监测
针对心脏、肺、胃等内部器官的监测，文章介绍了几种最新的技术进展：
超声波传感器：利用超声波传感器监测深层器官的健康状况，如心脏、肺部的脉搏波形及血压变化，提供了无创、实时的健康数据。
电阻抗断层成像：这项技术结合了电阻抗技术和断层成像技术，能够实时绘制体内器官的成像图，监测器官功能。
用于内部器官监测的可穿戴电子设备。（A）无线、无电池的纹身，可通过皮肤监测心电图（ECG）信号和心率。（B）集成在耳内的传感器，通过监测汗液中的乳酸，追踪脑电图（EEG）信号和皮肤电活动。（C）用于监测肺部氧气水平的氧气感应口罩，电压随氧气水平变化。（D）示意图概述了通过胃电阻抗断层成像（gEIT）估算的胃内容物体积，展示了gEIT套装的布置方式。（E）基于智能手机和尿布的可穿戴生物传感系统，可实时检测葡萄糖和尿酸，并使用超吸收聚合物阀门调节尿液流速。（F）使用CO2激光制作的尿酸（UA）和酪氨酸（Tyr）传感器。
挑战与未来展望
尽管可穿戴设备在医疗领域的应用前景广阔，但仍然面临诸多挑战。文章特别提到了以下几点：
生物兼容性：长时间佩戴对皮肤和身体的影响，以及如何提高设备的舒适性，是当前研究的重点。
信号干扰和数据处理：由于可穿戴设备的设计复杂，如何降低信号干扰，尤其是在移动或体液接触时保持信号稳定，是一个重要课题。
未来发展方向：文章预测未来的可穿戴设备将越来越多地结合人工智能、5G网络等技术，实现数据的实时分析和远程监控，进一步提升医疗诊断和治疗的效率。
未来的可穿戴电子设备。（A）当机械心电图（MECG）传感器附着在肌肉组织上时，可测量心电图（ECG）和机械心电图（MCG）信号。（B）使用可穿戴心脏超声成像设备在运动中进行监测，识别左心室后壁和室间隔的重要特征。（C）示意图展示了A-SEE（Au NM-Ag片-SHP复合材料）与大鼠坐骨神经的接口。（D）一种无电池、无线、可植入的多模式物理传感平台，使用应变和温度传感器跟踪受损的神经元。（E）快速神经电阻抗断层成像（EIT）是一种可靠的非侵入式技术，用于可视化周围神经的束状解剖结构。示意图显示了EIT图像中各个束的阻抗变化与微CT和组织切片的交叉验证。（F）TIS的整体概念，通过两个头骨电极实现对深部脑区的刺激，而不直接刺激神经元。图示展示了电极位置及最佳TIS的频率场调整。
参考文献
Linh, Vo Thi Nhat, Seunghun Han, Eunhye Koh, Sumin Kim, Ho Sang Jung, and Jahyun Koo. "Advances in Wearable Electronics for Monitoring Human Organs: Bridging External and Internal Health Assessments." Biomaterials (2024): 122865.
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我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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