测量皮下血流的柔性传感器

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置于血管上方皮肤上的表皮设备，这种柔软、弹性的表皮设备像临时纹身般层压在皮肤上，对皮下血流变化进行无创、实时的映射。Image: University of Illinois at Urbana-Champaign

今天最好的用于测量血流的医疗设备，需要患者首先出现在诊所或医院，然后在成像过程中保持高度静止。但一种实验性传感器像临时纹身一样紧贴皮肤，得以跟随患者24小时监控血流。

一个可穿戴式传感器本质上可以意味着抓取一个病人在诊所时的健康状况快照，与获得相当于此人全天24小时的血流视频之间的差别。试验表明，由伊利诺伊大学厄本那香槟分校研究者们领导的国际团队研发的一种柔性的“表皮电子”血流监测器能测量皮肤最外层1~2毫米的血液——即使人体在运动中。这意味着可以在患者从事日常生活时连续测量其血液流动的未来可穿戴设备的可能性。

“比如你有糖尿病患者并希望能一天24小时连续监视特定血管的变化”伊利诺伊大学材料科学与工程博士生Richard Chad Webb说， “在今天没有办法能这样做。”

该伊利诺伊大学团队与美国国立卫生研究院及一组更广泛的美国和中国研究者合作研发了这种新传感器，Webb是详细介绍介绍该小组工作的一篇论文的主要作者；发表在10月30日的《科学进展》上。

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大多数测量血流量的最先进仪器使用光学成像技术，需要患者在过程中保持静止。Webb和他的同事们转向柔性电子技术来寻找一个可能的穿戴式解决方案。(该研究的共同作者之一是伊利诺伊大学材料科学家和工程师John Rogers，他的实验室开创了生物相容性柔性电子的许多先例。)

研究者们最终研发出一种轻质的超薄装置，置于皮肤顶部不会影响它要测量的血流。它由于分子间微弱的吸引力范德瓦尔斯力紧贴皮肤，这种吸引力防止传感器和皮肤之间任何移动，以免影响读的准确性。作为备份可以用医用胶带确保设备呆在原地。

“在根本上，我们正试图做的是消除身体和探测器系统间的相对运动，”Webb解释道，“这允许你获得和最先进的光学成像器件一样的临床信息，而没有固定人体的限制。”

Webb和他的同事们用由硅支撑的超薄层硅、金、铬和铜建造了该设备。该传感器的厚度大部分是一层40微米厚的硅，其它每层都只有几十或几百纳米厚。

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这种可穿戴式小工具检测由皮下血液流动引起的加热模式差异。设备内部一个1.5毫米的热致动器加热6至7摄氏度为测量提供一个热背景，这对于紧贴人体皮肤的东西来说听起来像是一个显著温度变化，但是它在皮肤敏感性阈值以下，进入皮肤的热能为每平方毫米3.5毫瓦，小到穿戴该设备的人无法察觉其差别。

围绕热致动器的两圈传感器以0.01摄氏度的精度检测加热模式中的温度差异，最后但并非最不重要的，计算机算法帮助把加热模式差异解释为血流量。

把该可穿戴设备置于人类志愿者们手腕静脉上的测试显示了它在实际中如何工作。在人类受试者们静止不动站立5分钟、上下有氧踏板3分钟，以及仰卧时测量血流，研究者们还与最先进的光学成像仪比较了可穿戴设备的结果，以确保测量是合理准确的。

在该实验器件能导致商用可穿戴设备之前还有很长的路要走，研究者们还需要解决如何制造自带电源和向笔记本电脑或其它设备无线传输数据组件的版本。

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但那一旦发生，这些设备可以帮助革命医学，为理解糖尿病、动脉硬化、一般人类老化等健康状况提供前所未有的数据量。这种柔性传感器也可以放置在体内器官、手术工具或植入设备上。

现在，Webb和他的同事们继续完善该热映射血流设备，目标是使其更小。下一步可能是研发一个可以测量单个毛细血管而不仅是大血管血流的设备。

本文译自 IEEE Spectrum，由 王丢兜 编辑发布。