这些丝网印刷的柔性传感器允许耳塞记录大脑活动和运动水平
通过在邮票状柔性表面上丝网印刷两个柔性传感器，一对耳塞可以变成记录大脑电活动和体内乳酸水平的工具。
传感器可以与耳塞通信，然后耳塞无线传输收集的数据，以便在智能手机或笔记本电脑上进行可视化和进一步分析。这些数据可用于长期健康监测和检测长期神经退行性疾病。
这些传感器由加州大学圣地亚哥分校的多学科工程师研究小组开发，比目前用于感知大脑电活动和身体汗液分泌的最先进设备要简单得多。研究人员表明，它们可以在现实世界的锻炼过程中使用。
虽然多种生理参数的入耳感测并不是什么新鲜事，但将大脑和身体信号的感测集成在一个平台中却是新鲜事。这一突破是通过生物医学、化学、电气和纳米工程师的综合专业知识实现的。
来自测量大脑电活动的脑电图(EEG)和汗液乳酸(身体在运动和正常代谢活动过程中产生的有机酸)的数据可以组合用于多种目的。
例如，它们可用于诊断不同类型的癫痫发作，包括癫痫发作。它们还可以用于监测体育锻炼期间的努力以及监测压力和注意力水平。
研究人员根据从市售干接触脑电图耳机和含乳酸的血液样本中获得的数据，验证了概念验证研究中收集的数据。灵活的传感器收集的数据同样有效。
该团队在《自然生物医学工程》杂志上的一篇文章中描述了他们的工作。
研究人员预见到，未来神经影像和健康监测系统将与可穿戴传感器和移动设备(例如手机、耳塞、手表等)配合使用，以跟踪全天的大脑活动和许多与健康相关的代谢物的水平。这将使用户能够增强大脑和身体的能力。
该团队还设想，未来现有可穿戴音频设备(例如耳塞)的功能可以大幅扩展，以收集更广泛的数据。
“能够在一款入耳式集成设备中测量大脑认知活动和身体代谢状态的动态，且不会影响用户的舒适度和移动性，为促进各年龄段人群的健康和保健提供了巨大的机会，随时随地，”加州大学圣地亚哥分校ShuChienGeneLay生物工程系教授GertCauwenberghs说。
为什么是耳塞?
该团队认为，耳机的普遍佩戴转化为方便收集大脑和身体信号以促进健康和健康的尚未开发的潜力。
加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系教授帕特里克·梅西尔(PatrickMercier)表示：“耳机已经存在了几十年，从很多方面来说，它都是市场上最早的可穿戴设备之一。”
“这项研究迈出了重要的第一步，表明只需增强人们日常使用的耳塞的功能，就可以从人体测量出有影响力的数据。由于使用这项技术不存在重大障碍，我们预计最终会得到广泛采用。”
该论文的共同第一作者、Cauwenberghs实验室的博士后研究员YuchenXu表示，耳朵有汗腺，并且靠近大脑。“这是一个自然的切入点——人们习惯佩戴耳塞，”他说。
构建传感器
这样的系统需要多领域的专业知识，这就是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的这个项目的由来，该中心的生物工程学教授Cauwenberghs与纳米工程学教授JosephWang和ShenXu合作，他们在设计和构建可拉伸、可拉伸、可拉伸的传感器方面拥有丰富的经验。灵活的高性能化学传感器。
雅各布斯学院电气与计算机工程系教授PatrickMercier也将他在低功耗生物医学电子和无线系统方面的丰富经验贡献给了该项目。
“我们能够实现这一突破的原因之一是我们真正考虑了整合，”博士埃内斯托·德拉巴斯(ErnestoDeLaPaz)说。纳米工程教授JosephWang研究小组的校友，也是该论文的共同第一作者。
“我们希望传感器尽可能小，以收集微小的汗液样本。我们还通过集成可弯曲的组件来解决耳朵的不规则形状。”
构建入耳式传感器的第一步是确认可以在耳朵中收集脑电图和乳酸数据。研究人员必须设计更小、更紧凑的仪器来收集适合耳塞的电生理信号，例如脑电图数据。
他们还必须找到合适的材料来收集汗液和感应乳酸。经过对人类受试者的初步实验后，研究人员确定收集和记录乳酸数据的最佳位置是耳屏，那里是耳朵入口处汗液积聚的地方。
该团队还从之前的经验中得知，要收集脑电图数据，需要指向颞叶的高性能生理电极。
“主要的技术挑战不仅是在耳朵中安装两个传感器(耳朵是一个因人而异的小空间)，而且还要可靠地获取来自脑电图和乳酸的信号，”YuchenXu说。
“我们还必须适应耳塞集成并减少串扰。就在那时，我们想到了邮票状可拉伸传感器的想法，它是耳塞本身的一个简单补充，但具有我们所需的所有必要功能，并为我们的设计提供了足够的自由度。”
为了确保电生理传感器与耳朵牢固接触，研究人员设计了3D弹簧加载传感器，该传感器可以保持接触，但可以随着耳塞的移动进行调整。
另一方面，为了改善汗水收集，研究人员用透明水凝胶薄膜覆盖电化学传感器。“它像海绵一样，具有亲水性，”徐雨辰说。“它充当皮肤和传感器之间的机械缓冲垫，还有助于收集汗水。”
鉴于耳内空间有限，很难避免两个传感器之间的串扰。研究人员分析了各种材料选择、结构设计，并验证了用两个相距两毫米的传感器同时记录脑电图和乳酸信号的可行性。
纳米工程系教授JosephWang表示：“这种新型、功能强大的入耳式多模式可穿戴生物电子平台通过同时动态记录物理和生化信息，提供有关用户健康状况的丰富实时信息。”雅各布斯学院可穿戴传感器中心主任。
未来的机会
该设备的局限性之一是，为了收集足够的乳酸来有意义地分析数据，受试者需要进行锻炼或其他让人出汗的身体活动。在未来的工作中，研究人员将致力于取消这一要求。
该团队还致力于处理设备本身的数据。最终的目标是将处理后的数据无线传输到计算机或智能手机。耳内传感器还可以收集额外的数据，例如氧饱和度和血糖水平。
研究人员预计这项工作将带来新的疗法。
Cauwenberghs说：“听觉神经反馈将测量到的大脑信号与耳内设备播放的声音相结合，可能会为积极治疗衰弱性神经系统疾病(例如目前尚无有效治疗方法的耳鸣)带来潜在深远的新治疗进展。”
表征传感器
在整个研究过程中，研究人员进行了广泛的实验来验证传感器的功效。
除了电生理传感器的眼电图(EOG)之外，他们还描述了电极性能以及几种突出的大脑信号模式，包括α调制和听觉稳态响应。
他们表征了乳酸传感器的灵敏度、选择性和长期稳定性。
他们还对集成传感器的传感器之间的串扰、机械稳定性和环境稳定性进行了表征。
“在可穿戴技术领域，耳道的研究相对较少，”雅各布斯学院纳米工程系的教员ShenXu说。
“这项工作展示了连续传感从耳道捕获有价值的物理和化学信号的潜力，从而为可穿戴设备领域的众多令人兴奋的机会铺平了道路。”