首个用于检测和监测人体肌肉萎缩的可穿戴健康传感器

美国俄亥俄州立大学（Ohio State University，OSU）的研究人员制造了首个用于检测和监测人体肌肉萎缩的可穿戴健康传感器。

可穿戴健康传感器旨在帮助肌肉萎缩患者以更方便的方式监测自身的健康状况

目前，医生依靠磁共振成像（MRI）来评估肌肉萎缩患者的肌肉尺寸和体积，进而判别患者的肌肉萎缩是否有进一步恶化的迹象，但是频繁的检测不仅耗时且成本高昂。据麦姆斯咨询报道，近日，俄亥俄州立大学的研究人员在《IEEE生物医学工程汇刊》（IEEE Transactions on Biomedical Engineering）期刊上发表了一项新研究文章，提出由导电“e-threads”制成的电磁传感器可作为频繁的磁共振成像监测的替代方案。

该研究团队制作了3D打印的肢体模具，用碎牛肉填充，以模拟一个中等身材的人类受试者的小腿组织。研究结果表明，他们能够证明该可穿戴健康传感器可以测量肢体整体尺寸的小规模体积变化，并可监测高达51%的肌肉损失。

该文章的主要作者Allyanna Rice（以下简称“Rice”）说：“理想情况下，我们开发的可穿戴健康传感器可被医疗保健提供者用来为患者实施定制性治疗计划，减轻患者自身的负担。”

该文章展示了目前已知的首个使用可穿戴设备监测肌肉萎缩的研究工作，它建立在Rice之前为美国国家航空航天局（NASA）制造健康传感器的研究基础上。美国国家航空航天局对以多种方式监测宇航员的健康状况非常感兴趣。

她说：“该可穿戴健康传感器可在没有医疗专业人员帮助的情况下，跟踪执行长期任务的宇航员或居家患者的健康状况。”

Rice和合著者Asimiia Kiourti设计了该装置，其通过两个线圈和一个由e-threads制成的导体来工作，e-threads以独特的“Z”字形图案沿着织物运行。

Rice说，尽管产品最终类似于血压袖带，但最初的挑战是找到一种允许大范围改变传感器环形线路尺寸，使其能够适应大部分人群的模式。

她接着说：“当我们第一次提出该可穿戴健康传感器时，并没有意识到需要一种可拉伸的材料，直到我们意识到人体四肢会不断活动。我们需要一款可以变化和弯曲的传感器，但它同时需要保持一定的形状。”

尽管这种可穿戴设备还需要几年时间才能实现，但研究指出，下一个重大飞跃很可能是将此类设备连接到移动端应用程序（app）。此外，Rice还期待着将此类传感器与其它类型的设备相结合，以检测和监测健康问题，例如作为骨质流失的检测工具。

Rice说：“未来，我们希望在该可穿戴设备上集成更多的传感器，甚至更多的功能。”

以下为Rice接受“美国国家航空航天局科技简报（Tech Briefs）”采访时的精简内容。

科技简报：是什么激发了你们的研究热情？

Rice：我们的工作得到了美国国家航空航天局空间技术研究生研究机会奖学金（Space Technology Graduate Research Opportunities）的资助。最初，我们专注于为宇航员在长时间太空旅行中面临的各种健康问题寻找解决方案。由于微重力环境，宇航员在执行任务的这段较短期间内会经历明显的肌肉萎缩。

我们的目标是设计一款轻巧、便携、可穿戴的健康传感器，用于经常性监测人体肌肉萎缩。当然，肌肉萎缩也发生在地球上患有各种疾病的患者身上，包括癌症、衰老、神经紊乱或长期住在重症监护室（ICU）的患者。因此，我们的目标是开发一款适合大多数普通人群和几个特定用例的传感器。

技术简报：你们面临的最大的技术挑战是什么？

Rice：最大的挑战是如何制造一款具有高拉伸率的传感器。可拉伸电子器件和导体是一个新兴领域，通常依赖于基于液体或油墨的材料。我们希望使用导电线（e-thread），因为它们无拼接缝，对用户来说更耐磨，然而，e-thread是刚性的，无法自行拉伸。因此，我们设计了一种新的“Z”字形拼接模式，在氨纶材料上使用e-threads，使拉伸率达到43%。

技术简报：您能简单地解释一下这项技术是如何开展的吗？

Rice：该系统由两个线圈组成：发射器（TX）和接收器（RX）。我们在发射线圈上施加时变电流，从而在发射线圈上产生磁通量。然后在接收线圈上感应出磁通量，这个磁通量在接收线圈中产生我们可以测量的感应电压。

感应磁通量取决于线圈的横截面积。因此，随着肢体周长的增加，接收线圈上的总磁通量和电压也会增加。e-threads是传导电流装置的“电线”，我们采用的“Z”字形拼接模式有助于“电线”的拉伸性。

技术简报：你们对接下来的工作/研究有什么计划吗？下一步的计划是什么？

Rice：我们希望将用于肌肉萎缩监测的传感器与其它可穿戴、多模态传感、成像和监测传感器结合起来。我们正在开发基于天线和微波技术的附加传感器。为了改进用于肌肉萎缩监测的传感器，还有更多的工作要做，包括增加额外的线圈以提高准确性和分辨率，结合更具体的人体生理学，以及取代笨重的台式测量设备等。

技术简报：对于想要实现自己想法的工程师，您有什么建议吗？

Rice：不要害怕大胆的设想，去追求每一个有趣的梦想。此外，在最终成功到来之前，要经历多次尝试、错误和失败。

编辑：峰会