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类皮肤传感器实时监测身体各部位血液氧含量

导读: 近日,由加州大学伯克利分校(UC Berkeley)工程师开发的新型柔性传感器可以在大面积皮肤、身体组织和器官上绘制血氧含量图,从而为医生提供了实时监测伤口愈合情况的新方法。

如果没有血液的关键成分——氧气的持续吸入,伤口就无法愈合。

据麦姆斯咨询报道,近日,由加州大学伯克利分校(UC Berkeley)工程师开发的新型柔性传感器可以在大面积皮肤、身体组织和器官上绘制血氧含量图,从而为医生提供了实时监测伤口愈合情况的新方法。

类皮肤传感器实时监测身体各部位血液氧含量

新型传感器由印刷发光二极管和光电探测器交替组成阵列,可以探测身体任何部位的血氧含量。传感器将红光和红外光照射进皮肤内,并探测反射光的比例。

(照片由UC Berkeley的Arias研究小组Yasser Khan提供)

“当你听到血氧计这个词时,你会想到血氧传感器、又大又硬的指夹式传感器等。”UC Berkeley的电气工程和计算机科学研究生Yasser Khan说,“我们希望可以摆脱这种状况,向大家展示血氧计也可以轻薄和灵活。”

本周《美国国家科学院院刊》对该传感器进行了详细介绍,它由有机电子材料制成,印在可弯曲的塑料上,模塑成身体的轮廓。与指尖血氧计不同,它可以探测出网格中九个点的血氧含量,还可以放置在人体皮肤的任何地方。未来可能还会被用来绘制皮肤移植的氧合作用图,或透过皮肤来监测移植器官的氧含量,研究人员说。

“所有使用氧气监测的医疗应用都可以从可穿戴式传感器中获益。”UC Berkeley电子工程和计算机科学教授Ana Claudia Arias说道,“糖尿病、呼吸系统疾病甚至睡眠呼吸暂停的患者都可以使用该传感器,可以随时随地佩戴,以便全天候监测血氧含量。”

现有的血氧计都使用发光二极管(LED)发出红光和近红外光,并穿过皮肤,然后探测有多少光到达另一侧。红色、富含氧气的血液会吸收更多的红外光,而颜色更深、缺氧的血液则吸收更多的红光。通过观察透射光的比例,该传感器就能够确定血液中的氧气含量。

这些血氧计仅适用于部分透明的身体部位,如指尖或耳垂,并且只能测量身体单个点的血氧含量。

“身体上较厚的部位,例如前额、手臂和腿,几乎无法通过可见光或近红外光,因此,在这些部位测量氧合作用非常具有挑战性。”Khan说。

类皮肤传感器实时监测身体各部位血液氧含量

由印刷的有机光电探测器(顶部)和有机红色和红外LED(底部)组装而成的类皮肤传感器

(照片由UC Berkeley的Arias研究小组Yasser Khan提供)

2014年,Arias和他的研究生团队研究表明,印刷的有机LED可用来制作轻薄而灵活的血氧计,用于指尖或耳垂部位的测量。从那以后,他们进一步推进工作,开发出了一种利用反射光而不是透射光来测量身体组织氧合作用的方法。结合这两种技术,他们制造出了新的可穿戴传感器,从而可探测身体任何部位的血氧含量。

这种新型传感器是将红光、近红外有机LED和有机光电二极管阵列交替印刷在柔性材料上。该团队使用此传感器来记录某个志愿者前额的整体血氧含量,随着他呼吸的空气中氧气浓度逐渐降低(类似于海拔上升,氧气浓度就会变低),发现其血氧含量与那些使用标准指尖血氧计的人是一致的。他们还使用该传感器在绑着血压袖带的志愿者的前臂上绘制了三乘三网格的血氧含量图。

“移植手术后,外科医生想要测量器官所有部位的吸氧情况。”Khan说道,“如果利用传感器,就必须移动它来测量不同部位的氧合作用。使用阵列,就可以马上知道是否有伤口没有完全愈合。”

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