科學家開發出可測皮膚下血液流動的柔性傳感器

圖片來源：伊利諾伊大學香檳分校。本文來自spectrum.ieee，作者Jeremy Hsu，機器之心編譯出品，參與成員：楊超，汪汪。

可穿戴傳感器可以貼身測量病人的健康狀態，並且可以24小時全天候記錄患者的血液流動情況。測試表明，由伊利諾伊大學香檳分校的研究團隊開發的可穿戴監測器，可以測量皮膚最表層1到2毫米的血液流動。這意味着在未來人們可以在不影響日常生活的情況下，採用這種可穿戴設備實時監測器血液流動狀態。

「假設你家裡有糖尿病患者，希望能夠24小時不斷地監測其血管的變化，很可惜，今天我們還辦不到。」 材料科學與工程學院博士研究生Richard Chad Webb說。伊利諾伊大學的科研團隊和美國健康研究院以及一些美國和中國的研究人員一起，開發了這款可穿戴設備。Webb是該研究論文的作者，該論文發表在《科學進展》（ Science Advances）雜誌上。

拋棄光學成像技術的柔性傳感器

大多數的測量裝置採用的是光學成像技術，要求患者在使用的時候保持靜止不動。Webb及其同事轉而將目光投向了可穿戴電子技術，以期望找到一種可能的解決方案。

最終，研究人員開發了一種質輕超薄的裝置，這種裝置可以放置在皮膚表層，而不會影響需要測量的血液。由於范德華力（分子間作用力）的存在，這種裝置可以和皮膚緊密接觸，從而可以避免傳感器和皮膚之間的相對運動對測量結果產生影響。同時，醫用膠帶也可以幫助將裝置固定。

「事實上，我們正在做的就是消除身體和測量裝置之間的相對運動。這使得測量裝置可以在不限制人體運動的情況下獲得較真實的數據。」

Webb和他的同事採用了超薄層的矽、金、鉻和銅製備該設備。傳感器的大部分都是40微米厚的矽樹脂層，其他層的厚度大約只有數十納米左右。

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通過檢測血液流動引起的溫度變化來檢測血液流動情況

該裝置內的1.5毫米熱致動器被加熱6至7℃，以提供測量的熱背景。這個溫度聽起來是非常明顯的差別，但是仍然低於皮膚的靈敏度。這種裝置的熱能量密度為3.5毫瓦每平方毫米，因此穿戴者幾乎感覺不到差別。致動器周圍的兩個環狀傳感器的檢測精度可達到0.01℃。不僅如此，電腦算法還可以幫助識別不同血液流速下的圖像。

經過志願者的測試，這種可穿戴傳感器穿戴在手腕處的工作方式也漸漸清晰。血流測量的過程如下：測試者站着不動五分鐘，然後他們向上和向下的有氧運動三分鐘，最後躺下。最後研究人員將測試獲得的數據和通過光學成像原理的裝置獲得的數據進行比較，從而確保數據的正確性。

在該裝置進行商業化以前，仍然有很多事情要做

研究人員仍然需要制定出電力供應的問題，以及將數據無線傳輸到電腦或者其他設備的解決方案。但是如果這一步一旦成功，這樣的裝置必將引起醫學界的一場革命，即通過這樣的方式來獲得人類的健康狀態的數據，例如糖尿病、血管硬化和一般人的衰老問題等。

這樣的可穿戴設備也可以植入器官中，手術工具或者可植入裝置中。目前，Webb及其同事將繼續優化這種測量血液流動的裝置，以期將其做的更小。下一步的話將會是開發一種設備，可通過毛細血管來監測血液流動，而不是目前的通過較大血管的血液流動來監測。