可穿戴的呼吸监测器：用儿童玩具开发而成！

背景

如今，市场上充满了形形色色的可穿戴设备，例如智能手表、腕带、手环、眼镜、头盔、头带、服装、配饰等。这些可穿戴设备具备各种各样的功能，例如运动计步、监测睡眠、虚拟现实、通信、定位等。

其中，医疗健康监测是一个极具潜力与前景的应用领域。这种类型的可穿戴设备不仅可监测心率、体表温度、血氧水平、运动量以及其他生理参数，还能监测与肝炎、炎症甚至胰岛素有关的重要生理指标。

可穿戴设备采集的数据与信息，不仅可帮助病人及时了解健康状况以及疾病治疗情况，还能在某些疾病发作之前进行预警，或者在疾病发作时让病人能及时得到医疗照顾。

通过汗液监测人体健康状况的手环（图片来源：加州大学伯克利分校）

监测并治疗糖尿病的石墨烯腕带（图片来源：Hui Won Yun / 首尔大学）

监测心率、呼吸、肌肉运动等健康数据的电子皮肤（图片来源：大邱庆北科学技术院）

检测心脏健康状况和识别语音的微型声学传感器（图片来源：西北大学/科罗拉多大学波德分校）

监测皮肤深处的动脉血压的超声波贴片（图片来源：Chonghe Wang/《自然生物医学工程》）

创新

今天，笔者要再为大家介绍一款用于医疗健康监测的新型可穿戴设备。

近日，美国加州大学欧文分校（UCI）的研究人员们开发出一种一次性的可穿戴呼吸监测器。它能持续地提供高保真的读数，帮助患有哮喘和囊性纤维化儿童及其他患有慢性肺病的人。相关创新成果于2月13日发表在《npj Digital Medicine》期刊上。

（图片来源：Josh Kim / UCI）

技术

这种可低成本生产的传感器，由加州大学欧文分校生物医学工程师们采用流行的儿童玩具“Shrinky Dinks”制成。这种儿童玩具就是一些可在上面绘画的塑料薄片，加热之后它们的尺寸会变小。

这种像创可贴一样的装置安放在两个位置：一个是在第九根与第十根肋骨之间，另外一个是腹部。该装置可通过测量应用位置的局部应变，追踪佩戴者的呼吸速率和呼吸量。拿哮喘来说，采集的信息将用于在病情即将发作时进行预警。

（图片来源：Josh Kim / UCI）

该装置的制作方法是，将一层非常薄的金属施加到塑料玩具薄片上，再通过热收缩使之产生皱纹。然后，这种薄膜被转移至柔软、有弹性的材料上，类似于小型的创可贴，可以贴到患者身上。来自嵌入式的传感器的信号可通过蓝牙传输，从而在智能手机应用程序上显示。

（图片来源：参考资料【2】）

这些装置是在加州大学欧文分校生物医学工程系教授 Michelle Khine 的实验室开发的。据说，九个月前，在她的儿子出生之后，她受到启发才去追求这一创新成果的。由于并发症，新生儿被要求住在新生儿重症监护治疗病房内，连接着一组供应氧气以及监测其呼吸状况的机器。

Khine 表示：“尽管他小小的身体全部布满了传感器，可是医护人员所能获取到的只有呼吸速率信息。如果你观看生命体征监测仪，你会看到这个波形，所以看上去好像他们正在获取[呼吸量]信息，但是实际上却并没有。看到我的孩子躺在这个盒子里，我感到很无助。我八天都无法抱他，这非常令人心碎。令人心痛的还有，看到所有这些连着他的线，却又无法获取到我们想要获取的所有信息。”

她说，她儿子出生之后在医院的那些日子，强烈地启发了作为生物医学工程师的她：“我将他全身布满线的照片发送给我的学生，我说，‘我们必须做到比这样更好。当时是2018年。这种情况让人非常着急。’”

目前为止，Khine 实验室的成员已经在健康的受试者身上测试了这种新技术，但是他们还计划在未来数月对少量的哮喘患者进行试点测试。

受试者测试所用的硬件配置示意图（图片来源：参考资料【2】）

价值

加州大学欧文分校生物医学工程系研究生研究员、论文领导作者 Michael Chu 表示：“目前，呼吸监测的护理标准是一种肺功能检查，这种肺功能检测通常难以开展，并且受到提供患者呼吸系统健康状况的照片的限制，这意味着某些问题有时会被疏忽。我们的新型可伸缩传感器能在用户四处走动和正常工作时，采集有关他们肺部健康的重要信息。”

Khine 的实验室以采用 Shrinky Dinks 作为医疗应用平台而闻名。大约十年前，她创新地采用这种玩具去制造微流控装置。她说：“这令我们非常吃惊，这种儿童玩具使我们创造出了健壮的传感器，这些传感器有朝一日将造福于全世界的儿童及其他人。”

参考资料

【1】https://news.uci.edu/2019/02/13/uci-biomedical-engineers-develop-wearable-respiration-monitor-with-childrens-toy/

【2】Michael Chu, Thao Nguyen, Vaibhav Pandey, Yongxiao Zhou, Hoang N. Pham, Ronen Bar-Yoseph, Shlomit Radom-Aizik, Ramesh Jain, Dan M. Cooper, Michelle Khine. Respiration rate and volume measurements using wearable strain sensors. npj Digital Medicine, 2019; 2 (1) DOI: 10.1038/s41746-019-0083-3