这种丝网印刷的柔性传感器附着在耳塞上，表面像邮票一样柔软。图片来源:Erik Jepsen/加州大学圣地亚哥分校

来自这些生物传感器的流数据可用于健康监测神经退行性疾病的监测和诊断。

一副耳塞可以变成一种工具，记录大脑的电活动以及体内的乳酸水平，并在一个类似邮票的柔性表面上加上两个柔性传感器。

传感器可以与耳机通信，然后耳机将收集到的数据无线传输到智能手机或笔记本电脑上，用于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。

这些传感器是由加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)的一个多学科工程师研究团队开发的，与目前用于感知大脑电活动和身体汗液分泌物的最先进设备相比，它们要轻巧得多。研究人员表示，它们可以在现实世界的锻炼中使用。

虽然几种生理参数的耳内传感并不新鲜，但将大脑和身体信号集成在一个平台上的传感是新的。这一突破是由生物医学、化学、电子和纳米工程师的专业知识结合而成的。

耳塞被插入耳道，在那里它们可以收集汗液并感知大脑的电活动。图片来源:Erik Jepsen/加州大学圣地亚哥分校

数据与验证

测量大脑电活动的脑电图(EEG)数据和乳酸汗液(身体在运动和正常代谢活动中产生的一种有机酸)的数据可以结合起来用于各种目的。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程度，以及监测压力和注意力的水平。

研究人员验证了在这项概念验证研究中收集的数据，对照从市售干接触脑电图耳机和含乳酸血液样本获得的数据。柔性传感器收集的数据同样有效。

该团队在2023年10月刊《自然生物医学工程》的封面上发表了一篇文章，描述了他们的工作。

研究人员预测，在未来，神经成像和健康监测系统将与可穿戴传感器和移动设备(如手机、耳塞、手表等)一起工作，追踪全天的大脑活动和许多与健康相关的代谢物水平。这将允许使用者增强大脑和身体的能力。该团队还设想了一个未来，即现有的可穿戴音频设备(如耳塞)的功能可以大大扩展，以收集更广泛的数据。

加州大学圣地亚哥分校生物工程系舒健基因系教授格特·考文伯格(Gert Cauwenberghs)说:“能够在一个耳内集成设备上测量大脑认知活动和身体代谢状态的动态，而不会影响用户的舒适度和机动性，这为随时随地提高所有年龄段人群的健康水平提供了巨大的机会。”

传感器监测运动时汗液中的乳酸水平。资料来源:加州大学圣地亚哥分校

为什么耳机?

研究小组认为，耳塞的普遍佩戴意味着一种尚未开发的潜力，可以方便地收集大脑和身体信号，这对健康和健康都有好处。

“耳塞已经存在了几十年，从很多方面来说，它都是市场上最早的可穿戴设备之一，”加州大学圣地亚哥分校电子与计算机工程系教授帕特里克·默西尔(Patrick Mercier)说。“这项研究迈出了重要的第一步，表明只要增强人们日常使用的耳塞的功能，就可以从人体中测量出有影响力的数据。”由于使用这项技术没有大的障碍，我们预计最终会被广泛采用。”

该论文的第一作者之一、考文伯格实验室的博士后研究员徐宇晨(Yuchen Xu，音)说，耳朵有汗腺，靠近大脑。“这是一个很自然的切入点——人们习惯了戴耳塞，”他说。

构建传感器

这样的系统需要多领域的专业知识，这就是这个项目在加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心产生的原因，生物工程教授Cauwenberghs与纳米工程教授Joseph Wang和Sheng Xu合作，他们在设计和制造可拉伸、柔性和高性能化学传感器方面拥有丰富的经验。雅各布斯学院电气与计算机工程系教授Patrick Mercier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这个项目。

“我们能够取得这一突破的原因之一是我们真的考虑了集成，”纳米工程教授王约瑟夫研究小组的博士校友埃内斯托·德·拉巴斯说，他是这篇论文的第一作者之一。“我们想让传感器尽可能小，以收集微小的汗液样本。我们还通过整合可弯曲的部件来解释耳朵的不规则形状。”

制造入耳式传感器的第一步是确认脑电图和乳酸数据可以在耳朵中收集。研究人员必须设计更小、更紧凑的仪器来收集电生理信号，比如脑电图数据，这样才能装在耳塞上。他们还必须找到一种合适的材料来收集汗水和感知乳酸。在对人类受试者进行初步实验后，研究人员确定，收集和记录乳酸数据的最佳位置是耳屏，汗液聚集在耳入口处。根据以往的经验，研究小组还知道，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里安装两个传感器，这是一个因人而异的小空间，而且还要可靠地从脑电图和乳酸盐中获取信号，”徐宇晨说。“我们还必须适应耳机集成并减少串音。就在那时，我们想到了一个类似邮票的可伸缩传感器，它是耳塞本身的一个简单附加，但具有我们需要的所有必要功能，并为我们的设计提供了足够的自由。”

为了确保电生理传感器与耳朵有牢固的接触，研究人员设计了3D的弹簧传感器，可以保持接触，但可以随着耳塞的移动进行调整。另一方面，为了改善汗液的收集，研究人员在电化学传感器上覆盖了一层透明的水凝胶膜。“它像海绵一样亲水，”徐宇晨说。“它在皮肤和传感器之间起到机械缓冲的作用，还有助于收集汗水。”

由于耳朵内部空间有限，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。

雅各布斯学院纳米工程系教授、可穿戴传感器中心主任约瑟夫·王说:“这种功能强大的新型入耳式多模态可穿戴生物电子平台，通过同步动态地记录物理和生化信息，为用户的健康状况提供了丰富的实时信息来源。”

未来的机会

这种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，研究人员将致力于消除这一要求。

“下一步是将电子元件集成到传感器中，”徐宇晨说。

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电脑或智能手机上。耳内传感器还可以收集额外的数据，比如血氧饱和度和血糖水平。

研究人员设想这项工作将导致新的治疗方法。

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，可能会为主动修复衰弱的神经系统疾病带来潜在的深远的新治疗进展，比如耳鸣，目前尚无有效的治疗方法。”

传感器e估值

在整个研究过程中，研究人员进行了大量的实验来验证传感器的功效。

他们描述了电极的性能以及几种突出的大脑信号模式，包括α调制和听觉稳态反应，以及电生理传感器的眼电图(EOG)。

他们表征了乳酸传感器的灵敏度、选择性和长期稳定性。

他们还描述了传感器之间的串扰，集成传感器的机械稳定性和环境稳定性。

“在可穿戴技术领域，耳道的探索相对较少，”雅各布斯学院纳米工程系的教师徐盛(音)说。“这项工作证明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许多令人兴奋的机会铺平了道路。”

参考文献:“用于连续脑-体活动监测的耳内集成生理和代谢传感器”，作者:Yuchen Xu, Ernesto De la Paz, Akshay Paul, Kuldeep Mahato, Juliane R. Sempionatto, Nicholas Tostado, Min Lee, Gopabandhu Hota, Muyang Lin, Abhinav Uppal, William Chen, Srishty Dua, Lu Yin, Brian L. Wuerstle, Stephen Deiss, Patrick Mercier, Sheng Xu, Joseph Wang和Gert Cauwenberghs, 2023年9月28日，Nature Biomedical Engineering。DOI: 10.1038 / s41551 - 023 - 01095 - 1

加州大学圣地亚哥分校生物工程系:Yuchen Xu, Akshay Paul, Min Lee, Abhinav Uppal, William Chen, Stephen Deiss, Gert Cauwenberghs

加州大学圣地亚哥分校纳米工程与化学工程系:Ernesto De la Paz, Kuldeep Mahato, Juliane R. Sempionatto, Nicholas Tostado, Muyang Lin, Srishty Dua, Lu Yin, Sheng Xu, Joseph Wang

加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系:Gopabandhu Hota, Brian L. Wuerstle, Patrick Mercier

这项研究是在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院可穿戴传感器中心进行的，并得到了该中心的支持。