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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(jiān)護的軟性電子系統(tǒng)

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(xù)地監(jiān)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(tǒng)上，這種健康監(jiān)測多在醫(yī)院中借助專業(yè)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(xiàn)長期連續(xù)監(jiān)測，甚至是基本臨床操作可能帶來的并發(fā)癥，這些都是現(xiàn)有監(jiān)護技術面臨的重要挑戰(zhàn)。近年來，先進的軟性電子系統(tǒng)作為一種可佩戴裝置或移動平臺，以其能進行實時、長時監(jiān)測、舒適度高、不易被察覺并可在家中使用等優(yōu)勢，成為未來嬰幼兒監(jiān)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(yī)院林婷副主任醫(yī)師醫(yī)工交叉團隊在Materials Today（影響因子：24.2）上發(fā)表了 “Soft electronics for advanced infant monitoring”的綜述，為嬰幼兒高級監(jiān)護的發(fā)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(jù)這些基礎討論了嬰幼兒監(jiān)護領域最新的生物電、生物物理、生化以及多模態(tài)技術的研究成果，并全面總結了軟性電子在嬰幼兒監(jiān)護中的科研進展。此外，文章還深入探討了在物聯(lián)網(wǎng)時代，基于軟性電子的臨床級嬰幼兒智能監(jiān)護系統(tǒng)在傳感器設計、數(shù)據(jù)處理、供電以及數(shù)字互動等方面所面臨的當前挑戰(zhàn)和未來發(fā)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(chǎn)品在穩(wěn)定性、用戶接受度、成本、標準化以及相關法律法規(guī)方面所面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 嬰幼兒監(jiān)護的發(fā)展。傳統(tǒng)技術只能提供不充分、不準確、繁瑣和侵入性的醫(yī)療服務，可能帶來先天性損傷的風險。先進的監(jiān)測技術通過新方案實現(xiàn)了對嬰幼兒多種生理信號的連續(xù)監(jiān)測。

圖2 嬰幼兒的解剖特征。嬰幼兒的器官和系統(tǒng)仍處于生長發(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(jiān)測能力，以穩(wěn)定生命信號，降低嬰幼兒發(fā)病率。

圖4 嬰幼兒生物電監(jiān)測。(a) 人體內生物電的產(chǎn)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(jiān)測的柔性EES。(d) 使用心電圖EES數(shù)據(jù)測定的心率與金標準的比較。(e) 定制的靈活無創(chuàng)連續(xù)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(jiān)測。(a) 用于兒科護理的腦血流動力學監(jiān)測柔性貼片。(b) 將該設備與醫(yī)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(jiān)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(shù)據(jù)。

圖6 嬰幼兒生化監(jiān)測。(a) 用于監(jiān)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(tǒng)的選擇性葡萄糖監(jiān)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(jiān)測。(d) 集成智能電解質監(jiān)測系統(tǒng)的商用奶嘴。(e) 一小時內鈉離子和鉀離子的實時連續(xù)監(jiān)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(tǒng)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(jīng)皮膽紅素進行的 Bland-Altman 分析。(j) 可穿戴設備和商用經(jīng)皮膽紅素計的 Bland-Altman 圖。

圖7 嬰幼兒多模態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。(a) 嬰幼兒胸部和四肢生理監(jiān)測系統(tǒng)。(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(shù)據(jù)，以及胸部和四肢裝置的標準臨床測量數(shù)據(jù)。(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(shù)據(jù)由皮膚界面無線監(jiān)測平臺獲得。(h) 基于激光誘導石墨烯的多模態(tài)柔性系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由柔性傳感器、無線數(shù)據(jù)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(jiān)護的未來展望和轉化考慮。若要實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理和數(shù)字互動等多個維度全面優(yōu)化健康監(jiān)控系統(tǒng)。具體而言，柔性生物傳感器的創(chuàng)建應致力于實現(xiàn)材料的高效利用、傳感機制的智能化以及性能指標的系統(tǒng)考慮。此外，電源的持久和可靠性也不容忽視，迫切需要開發(fā)低功耗而集成度高的能源系統(tǒng)。同時，采集的生理健康數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)技術飛速發(fā)展的今天，亟需構建閉環(huán)式的交互式監(jiān)護系統(tǒng)，以實現(xiàn)隨時隨地地預防嬰幼兒潛在疾患、提供即刻醫(yī)療干預并促進全面健康發(fā)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(yī)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(yī)院林婷副主任醫(yī)師為論文的共同通訊作者。該團隊致力于開發(fā)柔性可穿戴智能生物診療系統(tǒng)，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(fā)等理工醫(yī)多學科交叉創(chuàng)新研究，擬揭示多模態(tài)生化和物理信息影響人類重大疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和機制，開發(fā)生物醫(yī)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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