Οι βιοαισθητήρες ακουστικών παρέχουν συνεχή παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας και των επιπέδων γαλακτικού οξέος – Physics World

Οι βιοαισθητήρες ακουστικών παρέχουν συνεχή παρακολούθηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας και των επιπέδων γαλακτικού οξέος – Physics World

Χρονική σήμανση: 15 Νοεμβρίου 2023 5:00 π.μ.

Βιοαισθητήρες ακουστικών
Ταυτόχρονη αίσθηση Εύκαμπτοι ηλεκτροχημικοί και ηλεκτροφυσιολογικοί αισθητήρες συνδέονται σε ακουστικά ή ακουστικά ακουστικών, μέσω μιας επιφάνειας που μοιάζει με σφραγίδα. Μόλις τα ακουστικά εισάγονται στον ακουστικό πόρο, οι αισθητήρες παρακολουθούν ταυτόχρονα την κατάσταση του εγκεφάλου και τα επίπεδα άσκησης. (Ευγενική προσφορά: Erik Jepsen/University of California San Diego)

Τα ακουστικά που είναι εξοπλισμένα με βιοαισθητήρες μπορούν να μετρούν συνεχώς την ηλεκτρική δραστηριότητα του εγκεφάλου και τα επίπεδα της γαλακτικής έκκρισης ιδρώτα. Η συσκευή αντιπροσωπεύει μια πιθανή νέα τεχνολογία ανίχνευσης φορητών συσκευών για ανίχνευση και παρακολούθηση νευρογεννητικών ασθενειών ή μακροχρόνια παρακολούθηση της υγείας.

Αναπτύχθηκε από μια διεπιστημονική ομάδα μηχανικών στο Κέντρο φορητών αισθητήρων στο UC San Diego Jacobs School of Engineering, οι αισθητήρες ακουστικών μεταδίδουν ασύρματα τα καταγεγραμμένα δεδομένα σε ένα smartphone ή φορητό υπολογιστή για οπτική απεικόνιση και ανάλυση. Με αυτήν την εφεύρεση, οι ερευνητές προβλέπουν ένα μέλλον στο οποίο τα συστήματα νευροαπεικόνισης και παρακολούθησης της υγείας θα λειτουργούν με εύκολα φορητούς αισθητήρες και κινητές συσκευές για να παρακολουθούν την εγκεφαλική δραστηριότητα και τα επίπεδα πολλών μεταβολιτών που σχετίζονται με την υγεία κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Η ενσωμάτωση μεμονωμένων σημάτων εγκεφάλου και σώματος σε μια ενιαία μικροσκοπική πλατφόρμα αντιπροσωπεύει μια τεχνολογική ανακάλυψη για την τεχνολογία ανίχνευσης στο αυτί. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι οι αισθητήρες έχουν πολύ μικρότερο παράγοντα μορφής, είναι λιγότερο οπτικά ενοχλητικοί και πιο άνετοι στη χρήση από ένα υπερσύγχρονο ακουστικό ηλεκτροεγκεφαλογράφημα κεφαλής (EEG) ή εμπορικό μετρητή γαλακτικού αίματος, ενώ προσφέρουν παρόμοια απόδοση.

«Η δυνατότητα μέτρησης της δυναμικής τόσο της γνωστικής δραστηριότητας του εγκεφάλου όσο και της μεταβολικής κατάστασης του σώματος σε μία ενσωματωμένη συσκευή στο αυτί που δεν παρεμβαίνει στην άνεση και την κινητικότητα του χρήστη ανοίγει τεράστιες ευκαιρίες για την προώθηση της υγείας και της ευεξίας ανθρώπων όλων των ηλικιών , οποτεδήποτε και οπουδήποτε», συν-κύριος ερευνητής Gert Cauwenberghs σχόλια σε δήλωση τύπου.

Όταν συνδυάζονται, τα δεδομένα EEG, τα οποία αντικατοπτρίζουν την ηλεκτρική δραστηριότητα στον εγκέφαλο, και τις μετρήσεις του γαλακτικού ιδρώτα, ενός οργανικού οξέος που παράγεται από το σώμα κατά τη διάρκεια της άσκησης και της κανονικής μεταβολικής δραστηριότητας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της προσπάθειας κατά τη σωματική άσκηση ή για την παρακολούθηση των επιπέδων στρες και εστίαση. Τέτοια δεδομένα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση διαφόρων κρίσεων, συμπεριλαμβανομένων των επιληπτικών κρίσεων.

Αναφέρουν τα ευρήματά τους σε Φύση Βιοϊατρική μηχανική, οι ερευνητές εξηγούν ότι τα συστήματα ηλεκτροφυσιολογικής αίσθησης στο αυτί παρέχουν «κομψές λύσεις σε διακριτική παρακολούθηση της κατάστασης του εγκεφάλου μέσα στον ακουστικό πόρο». Το αυτί βρίσκεται κοντά στο κεντρικό νευρικό σύστημα, τα κύρια αγγεία και τον ακουστικό φλοιό, παρέχοντας πρόσβαση σε φυσιολογικές παραμέτρους όπως το ΗΕΓ, ο ρυθμός παλμών και ο κορεσμός οξυγόνου. Διαθέτει επίσης πολλαπλούς εξωκρινείς ιδρωτοποιούς αδένες που επιτρέπουν την ανάλυση των ζωτικών μεταβολιτών.

Η νέα συσκευή περιλαμβάνει δύο τύπους αισθητήρων που εκτυπώνονται με οθόνη σε ένα εύκαμπτο πολυμερές υπόστρωμα πάχους 150 μm, το οποίο προσαρμόζεται γύρω από τα ακουστικά. Οι αισθητήρες έχουν σχεδιαστεί για να παρακολουθούν τις καθημερινές δραστηριότητες χρησιμοποιώντας δύο βασικά σύνολα χαρακτηριστικών που χαρακτηρίζουν την υγεία του εγκεφάλου-σώματος. Ο ηλεκτροφυσιολογικός αισθητήρας εφαρμόζει μια μορφή μιας φορητής διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή στο αυτί για την παρακολούθηση σημάτων που σχετίζονται με την κατάσταση του εγκεφάλου, όπως το ΗΕΓ και η ηλεκτροδερμική δραστηριότητα.

Ο άλλος αισθητήρας εκτελεί ηλεκτροχημική ανάλυση μεταβολιτών στο αυτί (σε αυτή τη μελέτη, γαλακτικό στον ιδρώτα). Οι ηλεκτροχημικοί αισθητήρες καλύπτονται με μια διαφανή υδρογέλη σαν σφουγγάρι που λειτουργεί ως μηχανικό μαξιλάρι μεταξύ του δέρματος και των αισθητήρων και βελτιώνει τη συλλογή του ιδρώτα. Έχουν ελατήριο για να κρατούν επαφή με το αυτί, αλλά προσαρμόζονται καθώς κινούνται τα ακουστικά.

Για να προσδιορίσουν τη βέλτιστη διάταξη των αισθητήρων, οι ερευνητές πραγματοποίησαν αρχικά λειτουργική χαρτογράφηση μέσα στον ακουστικό πόρο. Με βάση τα ευρήματά τους, προσανατολίστηκαν τα ηλεκτροφυσιολογικά ηλεκτρόδια προς τον κροταφικό λοβό που έχει χαμηλότερη έκκριση ιδρώτα και τα ηλεκτροχημικά ηλεκτρόδια προς τη θέση με υψηλότερη έκκριση ιδρώτα. Αυτός ο σχεδιασμός ελαχιστοποιεί τις πιθανές παρεμβολές μεταξύ των δύο αισθητήρων, οι οποίοι απέχουν μόνο 2 mm, και συμβάλλει στην αύξηση της αναλογίας σήματος προς θόρυβο. Η ομάδα προσάρμοσε επίσης το περίγραμμα περιγράμματος των ενσωματωμένων αισθητήρων αυτιού ώστε να ταιριάζει με αυτό του ακουστικού και ένα από τα τρία μεγέθη των γενικών άκρων σιλικόνης.

Οι ερευνητές επικύρωσαν την αποτελεσματικότητα των αισθητήρων τους χαρακτηρίζοντας την απόδοση των ηλεκτροδίων και τα μετρούμενα μοτίβα σημάτων του εγκεφάλου. Αξιολόγησαν επίσης την ευαισθησία, την επιλεκτικότητα και τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα των αισθητήρων γαλακτικού, επαλήθευσαν την ελάχιστη αλληλεπίδραση μεταξύ των αισθητήρων και επιβεβαίωσαν τη μηχανική και περιβαλλοντική σταθερότητα των ενσωματωμένων σαρωτών.

Η ομάδα δοκίμασε επίσης τους δοκιμασμένους αισθητήρες ακουστικών σε υγιείς εθελοντές που εκτελούσαν έντονο στατικό ποδήλατο σε σταθερό επίπεδο. Η συσκευή ανίχνευσε αυξημένα επίπεδα γαλακτικού ιδρώτα καθώς και αλλαγές στην εγκεφαλική δραστηριότητα. Η επικύρωση των συλλεχθέντων δεδομένων σε σχέση με τα αποτελέσματα που λαμβάνονται από εμπορικά ακουστικά EEG ξηρής επαφής και δείγματα αίματος που περιέχουν γαλακτικό αποκάλυψε συγκρίσιμα δεδομένα και από τα δύο συστήματα.

Οι αισθητήρες γαλακτικού απαιτούν επί του παρόντος από τους χρήστες να εκτελούν έντονη άσκηση ή άλλες δραστηριότητες που προκαλούν ιδρώτα. Χωρίς τέτοια άσκηση, δεν μπορεί να συγκεντρωθεί επαρκές γαλακτικό για ανάλυση, εξηγεί ο συν-κύριος ερευνητής Σενγκ Σου. Οι ερευνητές σχεδιάζουν να βελτιώσουν τον σχεδιασμό, έτσι ώστε η άσκηση να μην είναι απαραίτητη για την παρακολούθηση.

Συνάδελφος κύριος ερευνητής Πάτρικ Μερσιέ συμβουλεύει ότι τα μελλοντικά σχέδια της ομάδας περιλαμβάνουν επίσης τη δημιουργία ενός σχεδίου για την επεξεργασία των δεδομένων στα ίδια τα ακουστικά, με στόχο την ασύρματη μετάδοση αυτών των επεξεργασμένων δεδομένων σε υπολογιστή ή smartphone. Οι ερευνητές ελπίζουν επίσης ότι οι αισθητήρες στο αυτί θα μπορούσαν να συγκεντρώσουν πρόσθετα δεδομένα, όπως κορεσμό οξυγόνου και επίπεδα γλυκόζης.

Η έρευνα θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε νέες θεραπείες. «Η ακουστική νευροανάδραση που συνδέει τα μετρούμενα εγκεφαλικά σήματα με τον ήχο που παίζεται από τη συσκευή στο αυτί μπορεί να επιτρέψει δυνητικά εκτεταμένες νέες θεραπευτικές προόδους για την ενεργό αποκατάσταση εξουθενωτικών νευρολογικών διαταραχών όπως οι εμβοές», λέει ο Cauwenberghs.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής