Biosensory w słuchawkach zapewniają ciągłe monitorowanie aktywności mózgu i poziomu mleczanu – Świat Fizyki

Słuchawki douszne wyposażone w bioczujniki mogą w sposób ciągły mierzyć aktywność elektryczną mózgu i poziom mleczanu wydzielanego przez pot. Urządzenie stanowi potencjalną nową technologię czujników do noszenia, służącą do wykrywania i monitorowania chorób neurogeneracyjnych lub długoterminowego monitorowania stanu zdrowia.

Opracowany przez multidyscyplinarny zespół inżynierów w firmie Centrum czujników ubieralnych w szkole inżynieryjnej Jacobs na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego czujniki w słuchawkach bezprzewodowo przesyłają zarejestrowane dane do smartfona lub laptopa w celu wizualnego wyświetlenia i analizy. Dzięki temu wynalazkowi naukowcy przewidują przyszłość, w której systemy neuroobrazowania i monitorowania stanu zdrowia współpracują z łatwymi do noszenia czujnikami i urządzeniami mobilnymi w celu śledzenia aktywności mózgu i poziomu wielu metabolitów związanych ze zdrowiem w ciągu dnia.

Integracja indywidualnych sygnałów mózgu i ciała w jedną miniaturową platformę stanowi przełom technologiczny w technologii wykrywania dousznego. Naukowcy zauważają, że czujniki mają znacznie mniejszą obudowę, są mniej uciążliwe wizualnie i wygodniejsze w noszeniu niż najnowocześniejszy zestaw słuchawkowy do elektroencefalogramu skóry głowy (EEG) lub dostępny na rynku miernik poziomu mleczanu we krwi, a jednocześnie oferują podobną wydajność.

„Możliwość pomiaru dynamiki aktywności poznawczej mózgu i stanu metabolicznego organizmu w jednym zintegrowanym urządzeniu dousznym, które nie zakłóca komfortu i mobilności użytkownika, otwiera ogromne możliwości poprawy zdrowia i dobrego samopoczucia osób w każdym wieku zawsze i wszędzie” – jeden z głównych badaczy Gerta Cauwenberghsa komentarz w oświadczeniu prasowym.

Po połączeniu danych EEG, które odzwierciedlają aktywność elektryczną mózgu, oraz pomiarów mleczanu potu – kwasu organicznego wytwarzanego przez organizm podczas ćwiczeń i normalnej aktywności metabolicznej, można wykorzystać do monitorowania wysiłku podczas ćwiczeń fizycznych lub śledzenia poziomu stresu i skupienie. Dane takie można również wykorzystać do diagnozowania różnych napadów, w tym napadów padaczkowych.

Zgłaszanie swoich ustaleń w Charakterystyka inżynierii biomedycznejnaukowcy wyjaśniają, że douszne systemy czujników elektrofizjologicznych zapewniają „eleganckie rozwiązania umożliwiające dyskretne monitorowanie stanu mózgu w kanale słuchowym”. Ucho znajduje się blisko centralnego układu nerwowego, głównych naczyń krwionośnych i kory słuchowej, zapewniając dostęp do parametrów fizjologicznych, takich jak EEG, częstość tętna i nasycenie tlenem. Posiada również wiele zewnątrzwydzielniczych gruczołów potowych, które umożliwiają analizę ważnych metabolitów.

Nowe urządzenie składa się z dwóch rodzajów czujników nadrukowanych metodą sitodruku na elastycznym podłożu polimerowym o grubości 150 µm, które mocuje się wokół wkładek dousznych. Czujniki zaprojektowano do śledzenia codziennych czynności przy użyciu dwóch głównych zestawów cech charakteryzujących zdrowie mózgu i ciała. Czujnik elektrofizjologiczny to przenośny interfejs mózg-komputer umieszczony w uchu, który umożliwia śledzenie sygnałów związanych ze stanem mózgu, takich jak EEG i aktywność elektrodermalna.

Drugi czujnik przeprowadza analizę elektrochemiczną metabolitów w uchu (w tym badaniu mleczanu w pocie). Czujniki elektrochemiczne pokryte są przezroczystym, przypominającym gąbkę hydrożelem, który pełni rolę mechanicznej poduszki pomiędzy skórą a czujnikami i poprawia odprowadzanie potu. Są wyposażone w sprężynę, która utrzymuje kontakt z uchem, ale dostosowuje się w miarę ruchu wkładek dousznych.

Aby określić optymalny układ czujników, badacze początkowo przeprowadzili mapowanie funkcjonalne wewnątrz kanału słuchowego. Na podstawie swoich ustaleń skierowali elektrody elektrofizjologiczne w stronę płata skroniowego, w którym wydziela się mniej potu, a elektrody elektrochemiczne w stronę miejsca, w którym wydziela się większa ilość potu. Taka konstrukcja minimalizuje potencjalny przesłuch między dwoma czujnikami, które są od siebie oddalone o zaledwie 2 mm, i pomaga zwiększyć stosunek sygnału do szumu. Zespół dostosował także kontur zintegrowanych czujników dousznych, aby pasował do kształtu wkładki dousznej oraz do jednego z trzech rozmiarów standardowych końcówek silikonowych.

Naukowcy potwierdzili skuteczność swoich czujników, charakteryzując działanie elektrod i zmierzone wzorce sygnałów mózgowych. Ocenili także czułość, selektywność i długoterminową stabilność czujników mleczanu, zweryfikowali minimalny przesłuch między czujnikami oraz potwierdzili stabilność mechaniczną i środowiskową zintegrowanych skanerów.

Zespół przetestował także czujniki słuchawek dousznych u zdrowych ochotników wykonujących energiczną jazdę na rowerze stacjonarnym na stałym poziomie. Urządzenie wykryło podwyższony poziom mleczanu w pocie, a także zmiany w aktywności mózgu. Walidacja zebranych danych z wynikami uzyskanymi z dostępnych na rynku zestawów słuchawkowych EEG z suchym kontaktem i próbek krwi zawierających mleczan ujawniła porównywalne dane z obu systemów.

Czujniki mleczanu wymagają obecnie od użytkowników wykonywania energicznych ćwiczeń lub innych czynności powodujących pocenie się. Bez takich ćwiczeń nie można zebrać wystarczającej ilości mleczanu do analizy, wyjaśnia współkierownik badacza Sheng Xu. Naukowcy planują ulepszyć projekt, tak aby ćwiczenia nie były konieczne do monitorowania.

Energooszczędny tranzystor umożliwia analizę AI danych zdrowotnych w urządzeniach do noszenia

Kolega, główny badacz Patryk Mercier radzi, aby w planach zespołu na przyszłość znalazło się także stworzenie projektu umożliwiającego przetwarzanie danych na samych słuchawkach, w celu bezprzewodowego przesyłania przetworzonych danych do komputera lub smartfona. Naukowcy mają również nadzieję, że czujniki douszne będą mogły zbierać dodatkowe dane, takie jak nasycenie tlenem i poziom glukozy.

Badania mogą również zaowocować nowymi terapiami. „Neutrofeedback słuchowy łączący zmierzone sygnały mózgowe z dźwiękiem odtwarzanym przez urządzenie w uchu może umożliwić potencjalnie daleko idące postępy terapeutyczne w zakresie aktywnego leczenia wyniszczających zaburzeń neurologicznych, takich jak szum w uszach” – mówi Cauwenberghs.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/earbud-biosensors-provide-continuous-monitoring-of-brain-activity-and-lactate-levels/