SmartMat |研究论文：用于评估局部组织血流动力学的多活体皮肤光电生物传感器
学术
科技
2024-09-12 10:07
天津
Ming Xin, Tong Yu, Yongchang Jiang, Ruowen Tao, Jiean Li, Feng Ran, Tangsong Zhu, Jinrong Huang, Jing Zhang, Jia-Han Zhang, Nan Hu, Wei Wang, Qiuhong Zhang, Zhao Liu, Xinran Wang, Yi Shi, Lijia Pan. Multi-vital on-skin optoelectronic biosensor for assessing regional tissue hemodynamics.
SmartMat. 2023; 4:e1157.
https://doi.org/10.1002/smm2.1157
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评估临床和日常活动的氧介导效应需要一种可以同时跟踪多生命区域组织血流动力学的皮肤上装置。例如，外周动脉疾病(PAD)是第三大最常见的心血管疾病，但诊断和监测这种疾病的手段有限，因为受影响的区域通常位于远离心脏的非搏动区域。在此，我们报道了一种超薄和超轻的多生命近红外光电生物传感器，用于局部组织血流动力学的诊断和康复监测，适合安装在皮肤上进行长期测量。该设备可以同时检测组织氧饱和度、心率、动脉血氧和组织灌注，并显示出各种低氧监测应用的潜力。此外，该装置检测到的组织血流动力学与传统临床方法获得的踝臂指数和CT血管造影结果高度一致。因此，我们的设计能够准确地诊断和有效地评估PAD患者的术前和术后。这种贴在皮肤上的光电生物传感器在生物氧介导的行为评估、损伤状态监测、PAD临床诊断优化和手术后护理方面显示出潜力。
图 1. 皮肤上光电生物传感器的原理图、设计和表征。(A)该装置与用于监测局部组织血流动力学的柔性电路集成的示意图。预期应用于(Ⅰ)临床诊断、(Ⅱ)手术监测和(Ⅲ)术后护理。表面集成光电元件、近红外LED传感器和PD的前视图(B)和爆炸视图(C)。插图:蛇形-蜂窝状导体互连的特性。(D)放置在皮肤上的生物传感器图像;(E)器械与皮肤高度适形;(F, G)为挤压变形。图 2. 多生命皮肤光电生物传感器的光学、电学和机械设计。(A)生物传感器中使用的PD的LED光谱图和光谱响应。(B)超过4 ms的红色和红外LED发射。PD检测信号2 ms，分析测量rSO2、SpO2、HR和PI。(C)系统水平的有限元分析揭示了双轴应变高达30%时的位移和应变分布。(D)蛇形-蜂窝结构在双轴拉伸下的方电阻。插图:结构的光学图像。(E)不同应变下皮肤状装置的蛇形蜂窝互连图像。(F) HbO2和Hb在近红外波段的摩尔消光系数(ε)光谱。
图 3. 该可穿戴设备可以测量人体的各种重要参数。(A)组织氧饱和度(rSO2)、动脉血氧(SpO2)、HR、PI提取数据分析流程流程图。(B)使用多活体皮肤光电生物传感器在前臂上记录的无线测量结果。(C)前臂动脉搏动测量。(D) (C)中红色虚线框的放大视图，带有倒y轴刻度，便于查看。在这些数据中，明显的收缩期峰值和重脉缺口分别对应于收缩期射血和主动脉关闭时产生的最大压力。(E) (C)中信号的傅里叶变换。图中显示了三个谐波，其中第一个谐波对应于心率(~1.17 Hz或每分钟70次)。(F)在成人屏气1分钟之前、期间和之后，由开发的和商用设备进行的HR和SpO2测量。(G, H)设备和商业化仪器之间SpO2和HR测量的Bland-Altman分析。
图 4. 皮肤上的光电生物传感器在缺氧时评估组织氧饱和度。(A)静脉闭塞前、中、后的过程。(B)短暂静脉阻塞期间的功能演示(蓝色)。参与者二头肌上的充气袖带被设置为100毫米汞柱的压力，暂时阻塞静脉血流量。(C)对肱二头肌进行举重运动，并在运动过程中监测肌肉氧饱和度的变化;测定了肌肉由有氧呼吸向无氧呼吸转变的临界点。(D)、(E)不同年龄组组织氧合水平(前臂前侧)。图 5. 该装置在PAD诊断及治疗效果评价中的应用。(A)临床实验中受试者手术前后ABI的变化。(B)临床实验中受试者手术前后rSO2的变化。(C)临床实验中受试者手术前后PI的变化。(D)受试者9和10术前和术后的CAT作为临床比较标准。(E)受试者术前和术后ABI和rSO2的变化。(F)受试者术前和术后ABI和rSO2的变化。
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作者简介
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潘力佳，于中国科学技术大学获得博士学位；现任南京大学电子科学与工程学院/国家微结构协同创新中心教授、博导；2010年入选教育部新世纪优秀人才；2018年获得国家杰出青年科学基金资助；作为第二完成人获2017年度国家自然科学二等奖、获2016年度江苏省科学技术奖一等奖。2011-2012年、2017年5-8月，斯坦福大学，访问学者；致力于聚合物电子材料和器件、电子皮肤器件及仿生感知器件领域的研究。
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