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西安交大方云生/徐峰/林婷團隊 Mater. Today 綜述：用于嬰幼兒高級監護的軟性電子系統

2024-04-23 來源：高分子科技

嬰幼兒的身體特別脆弱，很容易受到傷害而且還無法有效地表達自己的身體感受，因此，他們需要得到特別而有效的關懷和護理。持續地監控嬰幼兒的關鍵生理指標，對了解和保障他們的健康狀況至關重要。傳統上，這種健康監測多在醫院中借助專業設備完成，但存在一些顯著的問題，比如可能對嬰幼兒造成傷害，難以實現長期連續監測，甚至是基本臨床操作可能帶來的并發癥，這些都是現有監護技術面臨的重要挑戰。近年來，先進的軟性電子系統作為一種可佩戴裝置或移動平臺，以其能進行實時、長時監測、舒適度高、不易被察覺并可在家中使用等優勢，成為未來嬰幼兒監護的重要選擇。近期，西安交通大學仿生工程與生物力學研究所（BEBC）方云生特聘研究員、徐峰教授和西安交通大學第一附屬醫院林婷副主任醫師醫工交叉團隊在Materials Today（影響因子：24.2）上發表了 “Soft electronics for advanced infant monitoring”的綜述，為嬰幼兒高級監護的發展提供了全新視角。

該綜述首先介紹了嬰幼兒的解剖學特點、疾病以及治療方法，依據這些基礎討論了嬰幼兒監護領域最新的生物電、生物物理、生化以及多模態技術的研究成果，并全面總結了軟性電子在嬰幼兒監護中的科研進展。此外，文章還深入探討了在物聯網時代，基于軟性電子的臨床級嬰幼兒智能監護系統在傳感器設計、數據處理、供電以及數字互動等方面所面臨的當前挑戰和未來發展方向。最后，文中還特別強調了在臨床應用轉化過程中，軟性電子產品在穩定性、用戶接受度、成本、標準化以及相關法律法規方面所面臨的挑戰。

圖1 嬰幼兒監護的發展。傳統技術只能提供不充分、不準確、繁瑣和侵入性的醫療服務，可能帶來先天性損傷的風險。先進的監測技術通過新方案實現了對嬰幼兒多種生理信號的連續監測。

圖2 嬰幼兒的解剖特征。嬰幼兒的器官和系統仍處于生長發育階段，相應的生理特征和身體功能與成人有很大不同。

圖3 與身體系統或器官功能異常相對應的嬰幼兒相關疾病。嬰幼兒的身體系統或器官在解剖和生理上還不健全，很容易導致一些疾病的發生。此外，嬰幼兒患有先天性遺傳疾病的情況也較為常見。為此，迫切需要在嬰幼兒早期階段增加先進的生理監測能力，以穩定生命信號，降低嬰幼兒發病率。

圖4 嬰幼兒生物電監測。(a) 人體內生物電的產生機制。(b) 在水平方向單軸拉伸16%的心電圖EES的圖像。(c) 用于嬰幼兒心電圖監測的柔性EES。(d) 使用心電圖EES數據測定的心率與金標準的比較。(e) 定制的靈活無創連續視頻和腦電圖記錄。(f) 在安靜和活躍睡眠期間獲得的腦電圖記錄（1號通道，黑色）和呼吸軌跡（綠色）。

圖5 嬰幼兒生物物理監測。(a) 用于兒科護理的腦血流動力學監測柔性貼片。(b) 將該設備與醫療級近紅外設備從仰頭角度進行比較的Bland-Altman分析。(c) 用于皮膚水合監測的無線柔性貼片。(d) 在不同條件下測量組織水合水平。(e）摩擦電水凝膠傳感器示意圖。(f) 軟質可食用摩擦電水凝膠傳感器的綜合性能概況。(g) 從一名向前摔倒的嬰幼兒身上收集到的多個信號。(h) 六種不同運動的混淆圖。(i) 基于熱敏可切換粘合劑的皮膚界面柔性裝置。(j) 熱轉換粘合劑的結構。(k) 三軸加速度計收集的個人從事各種活動時的機械聲學數據。

圖6 嬰幼兒生化監測。(a) 用于監測嬰幼兒唾液中葡萄糖的奶嘴傳感器示意圖。(b) 基于摩擦電極電化學系統的選擇性葡萄糖監測示意圖。(c) 使用奶嘴生物傳感器對兩個不同個體進行的體內葡萄糖監測。(d) 集成智能電解質監測系統的商用奶嘴。(e) 一小時內鈉離子和鉀離子的實時連續監測。(f) 用于心血管預后和診斷的鈉鉀比值。(g) 柔性膽紅素計系統示意圖。(h) 柔性膽紅素計的傳感機制和接觸。(i) 使用柔性膽紅素儀和商用膽紅素儀對經皮膽紅素進行的 Bland-Altman 分析。(j) 可穿戴設備和商用經皮膽紅素計的 Bland-Altman 圖。

圖7 嬰幼兒多模態監測系統。(a) 嬰幼兒胸部和四肢生理監測系統。(b) 由皮膚界面生物傳感器收集的心率、SpO2、體溫和溫度梯度數據，以及胸部和四肢裝置的標準臨床測量數據。(c) 出于安全考慮，設計了具有反射反應的材料，以阻止嬰幼兒誤食。呼吸（d）、心臟活動（e）、體溫（f）和心電圖（g）數據由皮膚界面無線監測平臺獲得。(h) 基于激光誘導石墨烯的多模態柔性系統示意圖，該系統由柔性傳感器、無線數據傳輸和智能手機報警界面組成。

圖8 軟性電子設備進行高級嬰幼兒監護的未來展望和轉化考慮。若要實現具有預測性、預防性、參與性和高度個性化特點的嬰幼兒護理服務，必須從傳感器設計、能源供應、數據處理和數字互動等多個維度全面優化健康監控系統。具體而言，柔性生物傳感器的創建應致力于實現材料的高效利用、傳感機制的智能化以及性能指標的系統考慮。此外，電源的持久和可靠性也不容忽視，迫切需要開發低功耗而集成度高的能源系統。同時，采集的生理健康數據要求能夠通過綜合的硬件和軟件平臺進行高效而準確的處理分析。特別是，在5G和物聯網技術飛速發展的今天，亟需構建閉環式的交互式監護系統，以實現隨時隨地地預防嬰幼兒潛在疾患、提供即刻醫療干預并促進全面健康發展，對當前和未來的嬰幼兒健康管理極具里程碑意義。

西安交通大學生命科學與技術學院博士生袁銘和西安交通大學第一附屬醫院博士生龍云祥為論文的共同第一作者，西安交通大學仿生工程與生物力學研究所（BEBC）方云生特聘研究員、徐峰教授、與西安交通大學第一附屬醫院林婷副主任醫師為論文的共同通訊作者。該團隊致力于開發柔性可穿戴智能生物診療系統，圍繞“臨床問題-科學研究-臨床應用” 的研究思路，開展生物傳感、智能診療和設備開發等理工醫多學科交叉創新研究，擬揭示多模態生化和物理信息影響人類重大疾病的發生發展規律和機制，開發生物醫學信息提取/處理、理解/認知和干預/調控的關鍵技術和設備。更多信息請訪問：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yunshengfang

原文鏈接：

Yuan, M., Long, Y. X., Liu. T., Liu, J. D., Qiu, S. Y., Lin, T.*, Xu, F.*, Fang, Y. S.*, Soft Electronics for Advanced Infant Monitoring. Materials Today, 2024, online.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.03.005

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（責任編輯：xu）

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