Öronsnäckor biosensorer ger kontinuerlig övervakning av hjärnaktivitet och laktatnivåer – Physics World

Öronsnäckor biosensorer ger kontinuerlig övervakning av hjärnaktivitet och laktatnivåer – Physics World

Tidsstämpel: 15 november 2023 5:00

Öronsnäckor biosensorer
Samtidig avkänning Flexibla elektrokemiska och elektrofysiologiska sensorer är fästa på in-ear-hörlurar, eller öronsnäckor, via en stämpelliknande yta. När hörsnäckorna väl har satts in i hörselgången övervakar sensorerna hjärnans tillstånd och träningsnivåer samtidigt. (Med tillstånd: Erik Jepsen/University of California San Diego)

Hörsnäckor utrustade med biosensorer kan kontinuerligt mäta hjärnans elektriska aktivitet och nivåerna av svettutsöndringen laktat. Enheten representerar en potentiell ny bärbar avkänningsteknik för upptäckt och övervakning av neurogenerativa sjukdomar eller långsiktig hälsoövervakning.

Utvecklad av ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer på Center för bärbara sensorer vid UC San Diego Jacobs School of Engineering överför hörlurssensorerna trådlöst inspelad data till en smartphone eller bärbar dator för visuell visning och analys. Med denna uppfinning förutser forskarna en framtid där neuroimaging och hälsoövervakningssystem fungerar med lätta att bära sensorer och mobila enheter för att spåra hjärnaktivitet och nivåer av många hälsorelaterade metaboliter under dagen.

Integreringen av individuella hjärn- och kroppssignaler i en enda miniatyrplattform representerar ett tekniskt genombrott för avkänningsteknik i örat. Forskarna noterar att sensorerna har en mycket mindre formfaktor, är mindre visuellt påträngande och mer bekväma att bära än ett toppmodernt EEG-headset eller en kommersiell blodlaktatmätare, samtidigt som de erbjuder liknande prestanda.

"Att kunna mäta dynamiken i både hjärnans kognitiva aktivitet och kroppens metabola tillstånd i en integrerad enhet i örat som inte inkräktar på användarens komfort och rörlighet öppnar enorma möjligheter för att förbättra hälsa och välbefinnande för människor i alla åldrar , när som helst och var som helst”, medföreträdare för utredare Gert Cauwenberghs kommenterar i ett pressmeddelande.

När de kombineras kan EEG-data, som återspeglar elektrisk aktivitet i hjärnan, och mätningar av svettlaktat, en organisk syra som produceras av kroppen under träning och normal metabolisk aktivitet, användas för att övervaka ansträngning under fysisk träning eller för att spåra nivåer av stress och fokusera. Sådana data kan också användas för diagnos av olika anfall, inklusive epileptiska anfall.

Rapportera sina fynd i Naturbiomedicinsk teknik, förklarar forskarna att elektrofysiologiska avkänningssystem i örat ger "eleganta lösningar för diskret övervakning av hjärntillstånd inuti hörselgången". Örat ligger nära det centrala nervsystemet, större kärl och hörselbarken, vilket ger tillgång till fysiologiska parametrar som EEG, pulsfrekvens och syremättnad. Den har också flera exokrina svettkörtlar som möjliggör analys av vitala metaboliter.

Den nya enheten består av två typer av sensorer screentryckta på ett 150 µm tjockt flexibelt polymersubstrat, som fästs runt hörsnäckorna. Sensorerna är designade för att spåra dagliga aktiviteter med hjälp av två huvuduppsättningar funktioner som kännetecknar hjärnans-kroppshälsa. Den elektrofysiologiska sensorn implementerar en form av ett bärbart hjärn-datorgränssnitt i örat för att spåra hjärntillståndsrelaterade signaler som EEG och elektrodermal aktivitet.

Den andra sensorn utför elektrokemisk analys av metaboliter i örat (i denna studie, laktat i svett). De elektrokemiska sensorerna är täckta med en transparent, svampliknande hydrogel som fungerar som en mekanisk kudde mellan huden och sensorerna och förbättrar svettuppsamlingen. De är fjäderbelastade för att hålla kontakten med örat men justeras när hörsnäckorna rör sig.

För att bestämma sensorernas optimala layout utförde forskarna initialt funktionell kartläggning inuti hörselgången. Baserat på deras fynd orienterade de de elektrofysiologiska elektroderna mot tinningloben som har lägre svettsekretion och de elektrokemiska elektroderna mot platsen med högre svettsekretion. Denna design minimerar potentiell överhörning mellan de två sensorerna, som är åtskilda med endast 2 mm, och hjälper till att öka signal-brusförhållandet. Teamet anpassade också konturerna av de integrerade öronsensorerna för att matcha hörsnäckan och en av tre storlekar av generiska silikonspetsar.

Forskarna validerade effektiviteten hos sina sensorer genom att karakterisera elektrodprestanda och de uppmätta hjärnsignalmönstren. De bedömde också känsligheten, selektiviteten och långtidsstabiliteten hos laktatsensorerna, verifierade den minimala överhörningen mellan sensorerna och bekräftade den mekaniska och miljömässiga stabiliteten hos de integrerade skannrarna.

Teamet testade också de testade hörlurssensorerna hos friska frivilliga som utför kraftig stationär cykling på en fast nivå. Enheten upptäckte förhöjda svettlaktatnivåer såväl som förändringar i hjärnans aktivitet. Validering av insamlade data mot resultat erhållna från kommersiella torrkontakt EEG-headset och laktatinnehållande blodprov avslöjade jämförbara data från båda systemen.

Laktatsensorerna kräver för närvarande att användarna utför kraftig träning eller andra aktiviteter som genererar svett. Utan sådan träning kan tillräckligt med laktat för analys inte samlas in, förklarar medföreträdare för utredare Sheng Xu. Forskarna planerar att förbättra designen så att träning inte blir nödvändig för övervakning.

Biträdande chefsutredare Patrick Mercier rekommenderar att teamets framtidsplaner också inkluderar att skapa en design för att bearbeta data på själva öronsnäckorna, med målet att överföra dessa bearbetade data trådlöst till en dator eller smartphone. Forskarna hoppas också att in-ear-sensorerna kan samla in ytterligare data, såsom syremättnad och glukosnivåer.

Forskningen kan också leda till nya terapier. "Auditör neurofeedback som kopplar de uppmätta hjärnsignalerna med ljud som spelas av enheten i örat kan möjliggöra potentiellt långtgående nya terapeutiska framsteg för aktiv remediering av försvagande neurologiska störningar som tinnitus", säger Cauwenberghs.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden