Ohrhörer-Biosensoren ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Gehirnaktivität und des Laktatspiegels – Physics World

Mit Biosensoren ausgestattete Ohrhörer können kontinuierlich die elektrische Aktivität des Gehirns und den Laktatspiegel der Schweißsekretion messen. Das Gerät stellt eine potenzielle neue tragbare Sensortechnologie zur Erkennung und Überwachung neurogenerativer Krankheiten oder zur langfristigen Gesundheitsüberwachung dar.

Entwickelt von einem multidisziplinären Team von Ingenieuren am Zentrum für tragbare Sensoren An der UC San Diego Jacobs School of Engineering übertragen die Ohrhörersensoren die aufgezeichneten Daten drahtlos an ein Smartphone oder einen Laptop zur visuellen Anzeige und Analyse. Mit dieser Erfindung sehen die Forscher eine Zukunft voraus, in der Neuroimaging- und Gesundheitsüberwachungssysteme mit leicht tragbaren Sensoren und mobilen Geräten zusammenarbeiten, um die Gehirnaktivität und den Spiegel vieler gesundheitsrelevanter Metaboliten im Laufe des Tages zu verfolgen.

Die Integration individueller Gehirn- und Körpersignale in einer einzigen Miniaturplattform stellt einen technologischen Durchbruch für die In-Ear-Sensortechnologie dar. Die Forscher stellen fest, dass die Sensoren einen viel kleineren Formfaktor haben, optisch weniger aufdringlich sind und bequemer zu tragen sind als ein hochmodernes Elektroenzephalogramm-Headset (EEG) für die Kopfhaut oder ein kommerzielles Blutlaktatmessgerät, während sie eine ähnliche Leistung bieten.

„Die Möglichkeit, die Dynamik sowohl der kognitiven Aktivität des Gehirns als auch des Stoffwechselzustands des Körpers in einem im Ohr integrierten Gerät zu messen, das den Komfort und die Mobilität des Benutzers nicht beeinträchtigt, eröffnet enorme Möglichkeiten zur Verbesserung der Gesundheit und des Wohlbefindens von Menschen jeden Alters , jederzeit und überall“, Co-Ermittler Gert Cauwenberghs Kommentare in einer Pressemitteilung.

In Kombination können EEG-Daten, die die elektrische Aktivität im Gehirn widerspiegeln, und Messungen von Schweißlaktat, einer organischen Säure, die der Körper während des Trainings und der normalen Stoffwechselaktivität produziert, zur Überwachung der Anstrengung während körperlicher Betätigung oder zur Verfolgung des Stressniveaus verwendet werden und Fokus. Solche Daten können auch zur Diagnose verschiedener Anfälle, einschließlich epileptischer Anfälle, verwendet werden.

Bericht über ihre Ergebnisse in Natur Biomedizintechnik, erklären die Forscher, dass elektrophysiologische Im-Ohr-Sensorsysteme „elegante Lösungen für die unauffällige Überwachung des Gehirnzustands im Gehörgang“ bieten. Das Ohr befindet sich in der Nähe des Zentralnervensystems, der Hauptgefäße und der Hörrinde und bietet Zugang zu physiologischen Parametern wie EEG, Pulsfrequenz und Sauerstoffsättigung. Es verfügt außerdem über mehrere exokrine Schweißdrüsen, die die Analyse lebenswichtiger Metaboliten ermöglichen.

Das neue Gerät besteht aus zwei Arten von Sensoren, die im Siebdruckverfahren auf ein 150 µm dickes, flexibles Polymersubstrat gedruckt sind und um die Ohrhörer befestigt werden. Die Sensoren sind darauf ausgelegt, tägliche Aktivitäten mithilfe von zwei Hauptmerkmalen zu verfolgen, die die Gesundheit von Gehirn und Körper charakterisieren. Der elektrophysiologische Sensor implementiert eine Art tragbare Gehirn-Computer-Schnittstelle im Ohr, um zustandsbezogene Signale des Gehirns wie EEG und elektrodermale Aktivität zu verfolgen.

Der andere Sensor führt eine elektrochemische Analyse der Metaboliten im Ohr durch (in dieser Studie Laktat im Schweiß). Die elektrochemischen Sensoren sind mit einem transparenten, schwammartigen Hydrogel bedeckt, das als mechanisches Kissen zwischen Haut und Sensoren fungiert und die Schweißsammlung verbessert. Sie sind federbelastet, um den Kontakt mit dem Ohr aufrechtzuerhalten, passen sich aber an die Bewegung der Ohrhörer an.

Um die optimale Anordnung der Sensoren zu ermitteln, führten die Forscher zunächst eine Funktionskartierung im Gehörgang durch. Basierend auf ihren Erkenntnissen richteten sie die elektrophysiologischen Elektroden auf den Schläfenlappen aus, der eine geringere Schweißsekretion aufweist, und die elektrochemischen Elektroden auf die Stelle mit höherer Schweißsekretion. Dieses Design minimiert potenzielles Übersprechen zwischen den beiden Sensoren, die nur 2 mm voneinander entfernt sind, und trägt dazu bei, das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Das Team passte außerdem die Umrisskontur der integrierten Ohrsensoren an die des Ohrhörers und an eine von drei Größen allgemeiner Silikonaufsätze an.

Die Forscher validierten die Wirksamkeit ihrer Sensoren, indem sie die Elektrodenleistung und die gemessenen Gehirnsignalmuster charakterisierten. Sie bewerteten außerdem die Empfindlichkeit, Selektivität und Langzeitstabilität der Laktatsensoren, überprüften das minimale Übersprechen zwischen den Sensoren und bestätigten die mechanische und Umgebungsstabilität der integrierten Scanner.

Das Team testete die Ohrhörer-Sensoren auch an gesunden Freiwilligen, die kräftiges stationäres Radfahren bei einem festgelegten Niveau durchführten. Das Gerät erkannte erhöhte Laktatwerte im Schweiß sowie Veränderungen der Gehirnaktivität. Die Validierung der gesammelten Daten mit Ergebnissen von kommerziellen Trockenkontakt-EEG-Headsets und laktathaltigen Blutproben ergab vergleichbare Daten aus beiden Systemen.

Die Laktatsensoren erfordern derzeit von den Benutzern intensive sportliche Betätigung oder andere Aktivitäten, bei denen Schweiß entsteht. Ohne eine solche Übung könne nicht genügend Laktat für die Analyse gesammelt werden, erklärt der Co-Studienleiter Sheng Xu. Die Forscher planen, das Design so zu verbessern, dass für die Überwachung keine körperliche Betätigung erforderlich ist.

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Co-Hauptermittler Patrick Mercier weist darauf hin, dass die Zukunftspläne des Teams auch die Entwicklung eines Designs zur Verarbeitung der Daten auf den Ohrhörern selbst umfassen, mit dem Ziel, diese verarbeiteten Daten drahtlos an einen Computer oder ein Smartphone zu übertragen. Die Forscher hoffen außerdem, dass die In-Ear-Sensoren zusätzliche Daten erfassen könnten, etwa zur Sauerstoffsättigung und zum Glukosespiegel.

Die Forschung könnte auch zu neuen Therapien führen. „Auditorisches Neurofeedback, das die gemessenen Gehirnsignale mit dem vom Gerät im Ohr wiedergegebenen Ton koppelt, könnte möglicherweise weitreichende neue therapeutische Fortschritte zur aktiven Linderung schwächender neurologischer Störungen wie Tinnitus ermöglichen“, sagt Cauwenberghs.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/earbud-biosensors-provide-continuous-monitoring-of-brain-activity-and-lactate-levels/