イヤホンバイオセンサーは脳活動と乳酸レベルを継続的にモニタリングします – Physics World

バイオセンサーを備えたイヤホンは、脳の電気活動と汗から分泌される乳酸のレベルを継続的に測定できます。 このデバイスは、神経変性疾患の検出と監視、または長期的な健康状態の監視のための新しいウェアラブル センシング技術の可能性を示しています。

多分野のエンジニア チームによって開発されました。 ウェアラブルセンサーセンター カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブス工学部では、イヤホンセンサーが記録されたデータをスマートフォンやラップトップコンピュータにワイヤレスで送信し、視覚的に表示して分析します。 研究者らは、この発明により、神経画像診断および健康監視システムが簡単に装着可能なセンサーやモバイルデバイスと連携して、脳の活動や健康関連の多くの代謝物のレベルを一日中追跡する未来を予見している。

個々の脳と身体の信号を単一の小型プラットフォームに統合することは、インイヤー センシング技術の技術的進歩を表します。 研究者らは、このセンサーは、最先端の頭皮脳波 (EEG) ヘッドセットや市販の血中乳酸測定器よりもはるかに小型のフォームファクターを持ち、見た目に邪魔にならず、快適な装着感でありながら、同等の性能を提供していると指摘しています。

「ユーザーの快適さと可動性を妨げることなく、XNUMX つの耳内統合デバイスで脳の認知活動と体の代謝状態の両方のダイナミクスを測定できることにより、あらゆる年齢層の人々の健康とウェルネスを向上させるための大きな機会が開かれます。いつでもどこでも」と共同主任研究員 ゲルト・コーウェンバーグ プレス声明でコメントした。

脳内の電気活動を反映するEEGデータと、運動中や通常の代謝活動中に体内で生成される有機酸である汗乳酸の測定値を組み合わせると、運動中の努力を監視したり、ストレスのレベルを追跡したりするために使用できます。そして集中します。 このようなデータは、てんかん発作を含むさまざまな発作の診断にも使用できます。

調査結果を報告する ネイチャーバイオメディカルエンジニアリング、研究者らは、インイヤー電気生理学的センシングシステムが「外耳道内の目立たない脳状態モニタリングに対するエレガントなソリューション」を提供すると説明しています。 耳は中枢神経系、主要な血管系、聴覚皮質の近くに位置しており、EEG、脈拍数、酸素飽和度などの生理学的パラメーターにアクセスできます。 また、重要な代謝産物の分析を可能にする複数の外分泌汗腺もあります。

新しいデバイスは、厚さ 150 μm の柔軟なポリマー基板上にスクリーン印刷された XNUMX 種類のセンサーで構成され、イヤホンの周囲に取り付けられます。 このセンサーは、脳と体の健康を特徴づける XNUMX つの主要な機能セットを使用して、日常の活動を追跡するように設計されています。 電気生理学的センサーは、EEG や皮膚電気活動などの脳の状態に関連する信号を追跡するために、ウェアラブル ブレイン コンピューター インターフェイスの形式を耳に実装します。

もう XNUMX つのセンサーは、耳内の代謝産物 (この研究では汗中の乳酸塩) の電気化学分析を実行します。 電気化学センサーは、皮膚とセンサーの間の機械的クッションとして機能し、汗の収集を改善する透明なスポンジ状のヒドロゲルで覆われています。 バネ仕掛けで耳との接触を保持しますが、イヤホンの動きに応じて調整されます。

センサーの最適なレイアウトを決定するために、研究者らはまず外耳道の内部で機能マッピングを実行しました。 彼らの発見に基づいて、彼らは電気生理学的電極を汗の分泌が少ない側頭葉に向け、電気化学的電極を汗の分泌が多い場所に向けました。 この設計により、わずか 2 mm しか離れていない XNUMX つのセンサー間の潜在的なクロストークが最小限に抑えられ、信号対雑音比の向上に役立ちます。 チームはまた、統合型イヤーセンサーの外形を、イヤホンと XNUMX つのサイズの汎用シリコン チップのいずれかに一致するようにカスタマイズしました。

研究者らは、電極の性能と測定された脳信号パターンを特徴付けることで、センサーの有効性を検証しました。 また、乳酸センサーの感度、選択性、長期安定性を評価し、センサー間のクロストークが最小限であることを検証し、統合スキャナーの機械的および環境的安定性を確認しました。

チームはまた、固定レベルで激しい静止サイクリングを行う健康なボランティアを対象に、イヤホンセンサーのテストを行いました。 この装置は、汗の乳酸濃度の上昇と脳活動の変化を検出しました。 収集したデータを、市販のドライコンタクト EEG ヘッドセットおよび乳酸を含む血液サンプルから得られた結果と照合して検証したところ、両方のシステムからの同等のデータが明らかになりました。

現在、乳酸センサーを使用するには、ユーザーは激しい運動や発汗を伴うその他の活動を行う必要があります。 このような訓練がなければ、分析に十分な乳酸を収集できないと共同主任研究者は説明する シェン・シュー。 研究者らは、モニタリングのために運動を必要としないように設計を改善する予定だ。

エネルギー効率の高いトランジスタにより、ウェアラブル デバイス内の健康データの AI 分析が可能になります

共同研究主任研究員 パトリック・メルシエ チームの将来の計画には、これらの処理されたデータをコンピューターまたはスマートフォンにワイヤレスで送信することを目標として、イヤホン自体でデータを処理する設計の作成も含まれているとアドバイスしています。 研究者らはまた、インイヤーセンサーが酸素飽和度や血糖値などの追加データを収集できることを期待している。

この研究は新しい治療法につながる可能性もあります。 「測定された脳信号と耳内のデバイスによって再生される音を結び付ける聴覚ニューロフィードバックは、耳鳴りなどの衰弱性の神経疾患の積極的な改善のための、広範囲にわたる新しい治療法の進歩を可能にする可能性があります」とコーウェンバーグ氏は言う。

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