Ørepluggbiosensorer gir kontinuerlig overvåking av hjerneaktivitet og laktatnivåer – Physics World

Ørepluggbiosensorer gir kontinuerlig overvåking av hjerneaktivitet og laktatnivåer – Physics World

Tidsstempel: 15. november 2023, kl

Øreplugger biosensorer
Samtidig sensing Fleksible elektrokjemiske og elektrofysiologiske sensorer er festet til øretelefoner, eller ørepropper, via en stempellignende overflate. Når ørepluggene er satt inn i øregangen, overvåker sensorene samtidig hjernetilstander og treningsnivåer. (Med tillatelse: Erik Jepsen/University of California San Diego)

Ørepropper utstyrt med biosensorer kan kontinuerlig måle den elektriske aktiviteten til hjernen og nivåene av svetteutskillelsen laktat. Enheten representerer en potensiell ny bærbar sensorteknologi for påvisning og overvåking av nevrogenerative sykdommer eller langsiktig helseovervåking.

Utviklet av et tverrfaglig team av ingeniører ved Senter for bærbare sensorer ved UC San Diego Jacobs School of Engineering overfører ørepluggsensorene de registrerte dataene trådløst til en smarttelefon eller bærbar datamaskin for visuell visning og analyse. Med denne oppfinnelsen forutser forskerne en fremtid der nevroimaging- og helseovervåkingssystemer fungerer med sensorer og mobile enheter som er lett å ha på seg for å spore hjerneaktivitet og nivåer av mange helserelaterte metabolitter gjennom dagen.

Integreringen av individuelle hjerne- og kroppssignaler i en enkelt miniatyrplattform representerer et teknologisk gjennombrudd for in-ear sensing-teknologi. Forskerne bemerker at sensorene har en mye mindre formfaktor, er mindre visuelt påtrengende og mer behagelige å ha på seg enn et toppmoderne hodesett med elektroencefalogram (EEG) eller kommersiell blodlaktatmåler, samtidig som de tilbyr lignende ytelse.

"Å være i stand til å måle dynamikken til både hjernens kognitive aktivitet og kroppens metabolske tilstand i én integrert enhet i øret som ikke forstyrrer brukerens komfort og mobilitet, åpner for enorme muligheter for å fremme helse og velvære for mennesker i alle aldre , når som helst og hvor som helst», co-hovedetterforsker Gert Cauwenberghs kommenterer det i en pressemelding.

Når de kombineres, kan EEG-data, som reflekterer elektrisk aktivitet i hjernen, og målinger av svettelaktat, en organisk syre produsert av kroppen under trening og normal metabolsk aktivitet, brukes til å overvåke innsats under fysisk trening, eller for å spore stressnivåer og fokus. Slike data kan også brukes til diagnostisering av ulike anfall, inkludert epileptiske anfall.

Rapportere funnene sine i Naturbiomedisinsk ingeniørfag, forklarer forskerne at elektrofysiologiske sensorsystemer i øret gir "elegante løsninger for diskret overvåking av hjernetilstand inne i øregangen". Øret er lokalisert nær sentralnervesystemet, hovedvaskulaturen og den auditive cortex, og gir tilgang til fysiologiske parametere som EEG, puls og oksygenmetning. Den har også flere eksokrine svettekjertler som muliggjør analyse av vitale metabolitter.

Den nye enheten består av to typer sensorer skjermtrykt på et 150 µm tykt fleksibelt polymersubstrat, som festes rundt øreproppene. Sensorene er designet for å spore daglige aktiviteter ved å bruke to hovedsett med funksjoner som karakteriserer hjerne-kropps helse. Den elektrofysiologiske sensoren implementerer en form for et bærbart hjerne-datamaskin-grensesnitt i øret for å spore hjernetilstandsrelaterte signaler som EEG og elektrodermal aktivitet.

Den andre sensoren utfører elektrokjemisk analyse av metabolitter i øret (i denne studien, laktat i svette). De elektrokjemiske sensorene er dekket med en gjennomsiktig, svamplignende hydrogel som fungerer som en mekanisk pute mellom huden og sensorene og forbedrer svetteoppsamlingen. De er fjærbelastede for å holde kontakten med øret, men justeres etter hvert som øreproppene beveger seg.

For å bestemme den optimale utformingen av sensorene, utførte forskerne i utgangspunktet funksjonell kartlegging inne i øregangen. Basert på funnene deres orienterte de de elektrofysiologiske elektrodene mot tinninglappen som har lavere sekresjon av svette, og de elektrokjemiske elektrodene mot stedet med høyere svettesekresjon. Denne utformingen minimerer potensiell krysstale mellom de to sensorene, som er atskilt med bare 2 mm, og bidrar til å øke signal-til-støy-forholdet. Teamet tilpasset også konturene til de integrerte øresensorene for å matche øreproppen og en av tre størrelser med generiske silikonspisser.

Forskerne validerte effektiviteten til sensorene deres ved å karakterisere elektrodeytelsen og de målte hjernesignalmønstrene. De vurderte også følsomheten, selektiviteten og langtidsstabiliteten til laktatsensorene, verifiserte minimal krysstale mellom sensorer og bekreftet den mekaniske og miljømessige stabiliteten til de integrerte skannerne.

Teamet testet også de testede ørepluggsensorene hos friske frivillige som utførte kraftig stasjonær sykling på et fast nivå. Enheten oppdaget forhøyede svettelaktatnivåer samt endringer i hjerneaktivitet. Validering av de innsamlede dataene mot resultater oppnådd fra kommersielle tørrkontakt EEG-headset og laktatholdige blodprøver avslørte sammenlignbare data fra begge systemene.

Laktatsensorene krever for tiden at brukerne utfører kraftig trening eller andre aktiviteter som genererer svette. Uten slik trening kan ikke tilstrekkelig laktat for analyse samles, forklarer co-hovedetterforsker Sheng Xu. Forskerne planlegger å forbedre designet slik at trening ikke vil være nødvendig for overvåking.

Medansvarlig etterforsker Patrick Mercier anbefaler at teamets fremtidige planer også inkluderer å lage et design for å behandle dataene på selve ørepluggene, med mål om å overføre disse behandlede dataene trådløst til en datamaskin eller smarttelefon. Forskerne håper også at øresensorene kan samle ytterligere data, for eksempel oksygenmetning og glukosenivåer.

Forskningen kan også føre til nye terapier. "Auditær nevrofeedback som kobler de målte hjernesignalene med lyd som spilles av enheten i øret kan muliggjøre potensielt vidtrekkende nye terapeutiske fremskritt for aktiv remediering av svekkende nevrologiske lidelser som tinnitus," sier Cauwenberghs.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden