新型石墨烯血壓傳感器

自 1881 年基于充氣袖帶的血壓計發(fā)明以來，血壓測量并沒有太大變化。人們可以使用該設(shè)備每天提供幾次讀數(shù)，但這不足以全面了解心血管健康。

由石墨烯制成的新型電子紋身連續(xù)數(shù)天讀取血壓。超薄的光傳感器可以在患者進(jìn)行日常活動時監(jiān)測他們的血壓。

“血壓是一個非常重要的生命體征，”德州農(nóng)工大學(xué)電氣和計算機(jī)工程教授Roozbeh Jafari說。“壓力可以殺人。壓力會導(dǎo)致血壓變化，但我們無法測量或理解它。因此，如果有一種技術(shù)可以連續(xù)測量血壓，它就會改變游戲規(guī)則?！?/p>

患有心血管疾病和高血壓的人必須定期監(jiān)測血壓。為了不引人注目地做到這一點(diǎn)，研究人員近年來開發(fā)了無袖帶方法。有些人依靠可穿戴的聲學(xué)傳感器來測量穿過組織的超聲信號的變化，或者依靠可以檢測手腕血管擴(kuò)張的壓力傳感器。它們體積龐大，可以四處移動，從而使測量信號失真。

基于光的傳感器，例如健身手環(huán)和智能手表中的傳感器，可以從皮膚毛細(xì)血管準(zhǔn)確測量心率，但光穿透深度不足以檢測血壓波。

新的血壓傳感器使用由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的電氣和計算機(jī)工程教授Deji Akinwande于 2017 年發(fā)明的石墨烯電子紋身傳感器。Jafari 和 Akinwande 合作開發(fā)了他們在Nature Nanotechnology上報道的新型石墨烯血壓傳感器。

為了制作紋身，研究人員在銅箔上生長一層或兩層石墨烯，在上面涂上一層 200 納米厚的超薄丙烯酸層，然后將其轉(zhuǎn)移到商業(yè)臨時紋身紙上。Akinwande 說，石墨烯的原子級厚度意味著貼片非常貼合皮膚，因此它們無需粘合劑即可粘貼并保持在原位。另外，佩戴者感覺不到它們。

為了確定血壓，研究人員使用石墨烯傳感器來測量生物阻抗——電流通過組織的電阻抗。他們將兩排六個石墨烯紋身貼在參與者的手腕上。每一行都放在手腕兩條主要動脈之一的正上方。每排最外面的貼片向手臂發(fā)送小電流，內(nèi)部的四個貼片測量電壓變化，這有助于計算阻抗。

Jafari 說，阻抗反映了動脈血容量的變化，但它并不直接轉(zhuǎn)化為血壓。因此，該團(tuán)隊構(gòu)建了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以根據(jù)幾個不同的參數(shù)準(zhǔn)確估計血壓，包括血容量變化、壓力脈沖在兩個部位之間的傳遞時間、脈沖到達(dá)兩個動脈之間的時間差以及動脈的彈性特性。

作為演示，研究人員將石墨烯傳感器放在七名人類參與者身上，并在志愿者進(jìn)行積極鍛煉時測量血壓。為了確定準(zhǔn)確性，他們將讀數(shù)與使用金標(biāo)準(zhǔn)血壓袖帶技術(shù)獲取的定期讀數(shù)進(jìn)行了比較。

一些參與者在 38°C 的室外進(jìn)行了艱苦的步行，其他參與者則進(jìn)行了俯臥撐。紋身在暴露于光和熱或與水或汗水接觸后不會退化。研究人員可以連續(xù)監(jiān)測血壓五個小時。Jafari 說，更長時間的監(jiān)測很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榧y身會持續(xù) 7 天。

第一代傳感器是有線的。電壓數(shù)據(jù)通過金屬線從紋身傳輸?shù)阶x出電子設(shè)備。但 Akinwande 表示，他們計劃下一步開發(fā)無線傳感器?！斑@需要我們設(shè)計一種可以無線發(fā)送數(shù)據(jù)的芯片，”他說。

審核編輯 ：李倩