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新型柔性传感器:能测量身体任意部位的血氧水

发布时间:2019-05-14 01:47

  生活中,我们的身体难免会遭受一些创伤,并产生伤口。然而,及时了解伤口的愈合情况,对于患者与医护人员来说,都是非常有帮助的。

  为此,笔者曾介绍过瑞士联邦材料测试与开发研究所(Empa)等科研机构合作开发的一种会发光的智能绷带,它能提供有关伤口情况的数据。在病人伤口愈合过程中,这种器件能让医护人员密切关注pH值、葡萄糖以及氧气的数值。

  由此,我们也不难发现,伤口的愈合离不开持续注入血液中的一种关键成分:氧气。

  今天,笔者要再为大家一项可实时检测伤口愈合状况的新技术。近日,美国加州大学伯克利分校的工程师们开发出一种新型柔性传感器,它可以反映出大面积的皮肤、组织和器官中的血氧水平。

  (图片来源:Yasser Khan,加州大学伯克利分校Arias研究组 )

  这种新型传感器的研究成果发表在这周的《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上。它由印刷在可弯曲塑料上的有机电子器件组成,其外形可适配身体轮廓。

  加州大学伯克利分校计算机科学与电气工程系研究生 Yasser Khan 表示:“血氧计(oximeter)是血氧传感器的名称。当你听到血氧计这个词的时候,你脑海中印象会是一种僵硬、笨重的指夹式传感器。我们想要摆脱这种指夹式血氧传感器,创造出轻薄且柔性的血氧计。”

  与指夹式血氧计不同的是,这种新型血氧计能检测出一个网络中九个点上的血氧水平,并可放置在皮肤上的任意位置。研究人员称,它有望用于反映移植皮肤的氧合指标,或者透过皮肤监测移植器官中的血氧水平。

  加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学专业的教授 Ana Claudia Arias 表示:“所有采用血氧监测的医疗应用都将得益于这种可穿戴传感器。糖尿病、呼吸系统疾病甚至是睡眠呼吸暂停的患者,都可以用这种可穿戴在任意部位的传感器,每时每刻监测血氧水平。”

  现有的血氧计,采用发光二极管(LED)发出红光和近红外光,穿透皮肤,然后检测有多少光线到达另一侧。红色、富氧的血液吸收更多的红外线,而颜色更暗、贫氧的血液吸收更多的红光。通过查看发射光线的比例,传感器可以判断出血液中的氧含量。

  这些血氧计只能工作在部分透明的身体部位,例如指尖或者耳垂,并且只能测量身体上单点的血氧水平。

  Khan 表示:“身体上较厚的区域,例如额头、手臂和腿,可见光或者红外线几乎无法通过,因此测量这些位置的氧合指标变得极具挑战性。”

  2014年,Arias 及其研究生团队展示了印刷而成的有机LED可用于制造轻薄、柔性的血氧计,测量指尖或者耳垂的血氧水平。从那时起,他们进一步推进了工作,开发出一种采用反射光线而不是发射光线测量组织中氧合指标的方法。两种技术相结合,让他们创造出了可检测身体上任意位置血氧水平的新型可穿戴传感器。

  这种新型传感器,是由交替印刷在柔性材料上红光与近红外光有机LED以及有机光电二极管阵列组成。团队采用传感器追踪自愿者额头上的血氧水平,该自愿者在氧浓度逐渐降低的条件下呼吸,就像爬坡一样。团队发现,结果可以与那些采用标准指尖血氧计的那些相匹配。他们也采用传感器去反映穿戴压力袖带的志愿者前臂上的三乘三网络中的血氧水平。

  (图片来源:Yasser Khan,加州大学伯克利分校Arias研究组 )

  Khan 表示:“在移植之后,外科医生想要测量器官上所有获取氧气的部位。如果你拥有一个传感器,你必须通过四处移动来测量不同位置的氧合指标。通过一个阵列,你立即可以知道哪个点还没有愈合好。”



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