电子皮肤-用于评估吞咽功能的可穿戴表皮电子

科技   科学   2024-10-13 22:35   江苏  


研究背景

吞咽是一个自愿和自主过程的集合,对维持我们身体的稳态平衡至关重要。异常吞咽(吞咽困难)可导致脱水、营养不良、吸入性肺炎、体重减轻、焦虑,甚至因气道阻塞而死亡,尤其是老年人。为了预防或减轻这些后果,必须定期评估吞咽困难风险患者和已确诊患者的吞咽能力。然而,目前的诊断工具,如内窥镜检查、测压和视频透视,需要临床专家来解释结果。这些结果通常是从受控环境中吞咽活动的有限检查时间段中采样的。此外,存在与这些方法相关的围手术期并发症的一些风险。相比之下,表皮传感器领域正在寻找非侵入性和最小侵入性的方法来检查吞咽功能和功能障碍。


创新点

加州大学圣地亚哥分校纳米工程系Darren J. Lipomi课题组总结了可穿戴设备的现状,旨在监测吞咽功能和检测其异常。作者特别关注使其运行的材料和设计参数。作者检查了概念验证研究(主要关注器械的工程)和生物医学研究(可能涉及更大的受试者队列,包括患者)的汇编。此外,作者简要讨论了相关的可穿戴传感器的信号采集和设备评估的方法。最后,作者研究了需要增加患者对此类设备的依从性和参与度,并讨论了对此类表皮传感器设计的增强,这可能会鼓励对居家和长期监测的更大热情。


文章解析

图1:说明与吞咽相关的生理学和解剖学及其特征。(a)描述了消化道的口腔至食管上部解剖结构的矢状截面(右)和突出显示相关解剖结构的喉的额状平面描述(左)。(b)是显示液体吞咽的四阶段模型的阶段的重建图(添加箭头以描绘喉和会厌运动)。(c)吞咽困难的视频荧光检查吞咽图像,显示穿透声带(左)和误吸(右)。(d)高分辨率测压结果的图形表示,其中水平轴为时间,垂直轴为相对位置,颜色方案表示压力。(e)示意图描述了目视检查的材料使能sEMG传感电极(左)和参考电极的近端位置的放置,以及最近文献中使用的具有柔性或可拉伸特性的机械传感器(右)。具有相似位置的电极/传感器数量(频率)显示在每个面板旁边的表格中。

图2:应用于吞咽测试的适形肌电图电极概述。(a)EMG电极类型的比较示意图:肌内(针)EMG、凝胶sEMG电极和适形电极(在这种情况下类似于干聚合物电极)。(b)皮肤上的基于聚合物(PEDOT:PSS)的sEMG电极的等效电路模型。(c-e)表皮适形电极及其各自的放置、传感器几何形状和所示放置的样本输出。f显示了颏下肌的肌电图数据和电极在吞咽运动游戏中的应用。(g,h)用于吞咽标测的sEMG电极的多通道阵列,其显示了g中基于经典电极的阻塞系统与h中薄表皮贴片之间的对比。两个图框都显示了吞咽的选定阶段期间的输出生物电位图。

图3:材料基可穿戴应变片在吞咽检查中的应用。(a)表皮应变传感器对典型的皮肤弯曲和拉伸应变作出反应,并连接适当的数据采集系统。(b-d)分别示出了具有样品吞咽应变信号的活性材料和澄清剂的示例应变仪示意图。(e)基于PVA/MXene的电容传感器,其具有在四个阶段中表达喉部运动的样本信号。(f)使用石墨烯传感器上的钯纳米岛监测颏下吞咽活动,比较吞咽困难和非吞咽困难信号结果。(g)对比图片和相应的曲线图,显示了共形粘附对应变仪响应的影响。

图4:材料基压力传感器和加速度传感器在吞咽检查中的应用。(a)典型的表皮压力传感器对皮肤弯曲引起的压缩做出反应(左),以及机械声学/加速度传感器对皮肤运动和变形做出反应。(b)来自孔隙直径减小的光学响应(左)和吞咽实验中的电容响应输出证明了对消耗的丸剂体积的敏感性(右)。(c)基于AlN活性材料的小轮廓压电吞咽压力传感器。传感器输出被示出为对应于喉部运动和肌肉活动信号。(d)从压电阵列提取的时间参数。(e)减少吞咽过程中施加压力的阻力。(f)基于IMU和可拉伸电路几何结构的机械声学传感器贴片,提供非侵入性附件和稳健的无线数据输出。(g)激光诱导石墨烯声学传感器,具有针对包括吞咽在内的各种喉咙相关活动的独特信号输出。
读后感

开发具有吸引力但物理上不显眼的表皮装置具有帮助检测和治疗吞咽功能障碍的潜力。吞咽传感器的便利性和物理可穿戴性已经通过实现柔性和可拉伸的电子材料而得到极大改善。对这种材料及其在吞咽行为中的应用的研究正在创造用于检测吞咽健康的新模式和改进有据可查和以前研究过的方法。尽管与这种换能器相关联的感测机制现在已经建立,但从数据解释和通信到维持用户参与度超出单次使用和医疗保健提供者的购买仍然存在挑战。虽然可以使用现有的可调度控制器和无线通信平台来改进数据采集和通信,但其余的挑战需要进一步研究。吞咽困难等吞咽和进食障碍需要长期监测和护理,尽管所用材料具有良好的鲁棒性,但可穿戴吞咽传感器尚未在人体研究中证明这一壮举。为此,这一领域的改进需要对持久性和有效性进行长期检查,并进行大样本人体试验。实现连续、被动和移动的数据收集的另一个重要步骤是在非静止受试者条件和实验室外设置下评估传感器。这些调查可以帮助识别来自用户的身体运动的不期望的伪影,以识别适当的数据过滤器。同时,他们将阐明吞咽治疗期间的用户依从性和参与度,这是预防吞咽和进食障碍的关键方面。

【参考文献】

https://doi.org/10.1038/s41528-023-00286-9

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