Kuulokkeiden biosensorit mahdollistavat jatkuvan aivojen toiminnan ja laktaattitason seurannan – Physics World

Kuulokkeiden biosensorit mahdollistavat jatkuvan aivojen toiminnan ja laktaattitason seurannan – Physics World

Aikaleima: 15. marraskuuta 2023 5

Kuulokkeiden biosensorit
Samanaikainen tunnistus Joustavat sähkökemialliset ja sähköfysiologiset anturit on kiinnitetty in-ear-kuulokkeisiin tai nappikuulokkeisiin leimamaisen pinnan kautta. Kun korvanapit on asetettu korvakäytävään, anturit tarkkailevat samanaikaisesti aivojen tilaa ja harjoitustasoa. (Kohtelias: Erik Jepsen / Kalifornian yliopisto San Diego)

Biosensoreilla varustetut korvanapit voivat jatkuvasti mitata aivojen sähköistä aktiivisuutta ja hienerityksen laktaatin tasoa. Laite edustaa mahdollista uutta puettavaa anturiteknologiaa neurogeneratiivisten sairauksien havaitsemiseen ja seurantaan tai pitkäaikaiseen terveyden seurantaan.

Sen on kehittänyt monialainen insinööritiimi Puettavien antureiden keskus UC San Diego Jacobs School of Engineeringissä kuulokeanturit lähettävät tallennetut tiedot langattomasti älypuhelimeen tai kannettavaan tietokoneeseen visuaalista näyttöä ja analysointia varten. Tämän keksinnön avulla tutkijat näkevät tulevaisuuden, jossa hermokuvaus- ja terveyden seurantajärjestelmät toimivat helposti puettavien antureiden ja mobiililaitteiden kanssa aivojen aktiivisuuden ja monien terveyteen liittyvien metaboliittien tasojen seuraamiseksi koko päivän ajan.

Yksittäisten aivojen ja kehon signaalien yhdistäminen yhdeksi pienoisalustaksi edustaa teknologista läpimurtoa korvantunnistusteknologiassa. Tutkijat huomauttavat, että antureilla on paljon pienempi muototekijä, ne ovat visuaalisesti vähemmän häiritseviä ja mukavampia käyttää kuin huippuluokan päänahan elektroenkefalogrammi (EEG) -kuulokkeet tai kaupalliset veren laktaattimittarit, mutta ne tarjoavat samanlaisen suorituskyvyn.

"Mahdollisuus mitata sekä aivojen kognitiivisen toiminnan että kehon metabolisen tilan dynamiikkaa yhdellä korvaan integroidulla laitteella, joka ei häiritse käyttäjän mukavuutta ja liikkuvuutta, avaa valtavia mahdollisuuksia kaiken ikäisten ihmisten terveyden ja hyvinvoinnin edistämiseen. , milloin ja missä tahansa", päätutkija Gert Cauwenberghs kommentoi lehdistötiedotteessa.

Yhdistettynä EEG-tietoja, jotka heijastavat aivojen sähköistä aktiivisuutta, ja hikilaktaatin, elimistön harjoituksen ja normaalin aineenvaihdunnan aikana tuottaman orgaanisen hapon mittauksia, voidaan käyttää seuraamaan fyysisen harjoituksen aikana tapahtuvaa rasitusta tai seuraamaan stressitasoja. ja keskittyä. Tällaisia ​​tietoja voidaan käyttää myös erilaisten kohtausten, mukaan lukien epileptisten kohtausten, diagnosointiin.

Raportoivat löydöstään Luonnon biolääketieteellinen tekniikka, tutkijat selittävät, että korvan elektrofysiologiset anturijärjestelmät tarjoavat "tyylikkäitä ratkaisuja huomaamattomaan aivojen tilan seurantaan korvakäytävän sisällä". Korva sijaitsee lähellä keskushermostoa, suuria verisuonia ja kuulokuorta, mikä tarjoaa pääsyn fysiologisiin parametreihin, kuten EEG, pulssi ja happisaturaatio. Siinä on myös useita eksokriinisia hikirauhasia, jotka mahdollistavat elintärkeiden metaboliittien analysoinnin.

Uusi laite sisältää kahdentyyppisiä sensoreita, jotka on painettu 150 µm paksulle joustavalle polymeerisubstraatille, joka kiinnittyy kuulokkeiden ympärille. Anturit on suunniteltu seuraamaan päivittäistä toimintaa käyttämällä kahta pääasiallista aivojen ja kehon terveyttä kuvaavia ominaisuuksia. Sähköfysiologinen anturi toteuttaa korvaan puettavan aivo-tietokonerajapinnan aivojen tilaan liittyvien signaalien, kuten EEG:n ja elektrodermaalisen toiminnan, seuraamiseksi.

Toinen anturi suorittaa sähkökemiallisen analyysin aineenvaihduntatuotteista korvassa (tässä tutkimuksessa hien laktaatti). Sähkökemialliset anturit on päällystetty läpinäkyvällä, sienimäisellä hydrogeelillä, joka toimii mekaanisena pehmusteena ihon ja sensorien välillä ja parantaa hien kerääntymistä. Ne ovat jousikuormitettuja pitämään kosketuksen korvaan, mutta säätyvät kuulokkeiden liikkuessa.

Antureiden optimaalisen sijoittelun määrittämiseksi tutkijat suorittivat aluksi toiminnallisen kartoituksen korvakäytävän sisällä. Löytöidensä perusteella he suuntasivat sähköfysiologiset elektrodit vähemmän hikeä erittävälle ohimolohkolle ja sähkökemialliset elektrodit enemmän hikieritystä kohti. Tämä muotoilu minimoi mahdollisen ylikuulumisen kahden anturin välillä, jotka ovat vain 2 mm:n päässä toisistaan, ja auttaa lisäämään signaali-kohinasuhdetta. Tiimi myös räätälöi integroitujen korvatunnistimien ääriviivat vastaamaan nappikuulokkeen ääriviivaa ja yhtä kolmesta yleisen silikonikärjen koosta.

Tutkijat vahvistivat antureidensa tehokkuuden luonnehtimalla elektrodien suorituskykyä ja mitattuja aivojen signaalikuvioita. He arvioivat myös laktaattisensorien herkkyyden, selektiivisyyden ja pitkäaikaisen stabiilisuuden, varmistivat antureiden välisen minimaalisen ylikuulumisen ja vahvistivat integroitujen skannerien mekaanisen ja ympäristön stabiilisuuden.

Tiimi testasi myös testattuja kuulokkeiden antureita terveillä vapaaehtoisilla, jotka suorittivat voimakasta pyöräilyä kiinteällä tasolla. Laite havaitsi kohonneita hien laktaattitasoja sekä muutoksia aivojen toiminnassa. Kerättyjen tietojen validoiminen kaupallisista kuivakontakti-EEG-kuulokkeista ja laktaattia sisältävistä verinäytteistä saatuihin tuloksiin paljasti vertailukelpoisia tietoja molemmista järjestelmistä.

Laktaattianturit vaativat tällä hetkellä käyttäjiä suorittamaan voimakasta harjoittelua tai muita hikoilua aiheuttavia toimintoja. Ilman tällaista harjoittelua ei voida kerätä riittävästi laktaattia analyysiin, kertoo päätutkija Sheng Xu. Tutkijat suunnittelevat parantavansa suunnittelua niin, että harjoittelua ei tarvita seurannassa.

Vastaava tutkija Patrick Mercier neuvoo, että tiimin tulevaisuuden suunnitelmiin kuuluu myös suunnittelun tekeminen kuulokkeiden tietojen käsittelemiseksi itse, ja tavoitteena on siirtää nämä käsitellyt tiedot langattomasti tietokoneeseen tai älypuhelimeen. Tutkijat toivovat myös, että korvaanturit voisivat kerätä lisätietoa, kuten happisaturaatiosta ja glukoositasoista.

Tutkimus voi johtaa myös uusiin hoitomuotoihin. "Kuuluhermostopalaute, joka yhdistää mitatut aivosignaalit laitteen korvassa toistamaan ääneen, voi mahdollistaa potentiaalisesti kauaskantoisia uusia terapeuttisia edistysaskeleita heikentävien neurologisten häiriöiden, kuten tinnituksen, aktiivisessa parantamisessa", Cauwenberghs sanoo.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma