西安交大方云生/徐峰/林婷团队 Mater. Today 综述：用于婴幼儿高级监护的软性电子系统

2024-04-23 来源：高分子科技

婴幼儿的身体特别脆弱，很容易受到伤害而且还无法有效地表达自己的身体感受，因此，他们需要得到特别而有效的关怀和护理。持续地监控婴幼儿的关键生理指标，对了解和保障他们的健康状况至关重要。传统上，这种健康监测多在医院中借助专业设备完成，但存在一些显著的问题，比如可能对婴幼儿造成伤害，难以实现长期连续监测，甚至是基本临床操作可能带来的并发症，这些都是现有监护技术面临的重要挑战。近年来，先进的软性电子系统作为一种可佩戴装置或移动平台，以其能进行实时、长时监测、舒适度高、不易被察觉并可在家中使用等优势，成为未来婴幼儿监护的重要选择。近期，西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）方云生特聘研究员、徐峰教授和西安交通大学第一附属医院林婷副主任医师医工交叉团队在Materials Today（影响因子：24.2）上发表了 “Soft electronics for advanced infant monitoring”的综述，为婴幼儿高级监护的发展提供了全新视角。

该综述首先介绍了婴幼儿的解剖学特点、疾病以及治疗方法，依据这些基础讨论了婴幼儿监护领域最新的生物电、生物物理、生化以及多模态技术的研究成果，并全面总结了软性电子在婴幼儿监护中的科研进展。此外，文章还深入探讨了在物联网时代，基于软性电子的临床级婴幼儿智能监护系统在传感器设计、数据处理、供电以及数字互动等方面所面临的当前挑战和未来发展方向。最后，文中还特别强调了在临床应用转化过程中，软性电子产品在稳定性、用户接受度、成本、标准化以及相关法律法规方面所面临的挑战。

图1 婴幼儿监护的发展。传统技术只能提供不充分、不准确、繁琐和侵入性的医疗服务，可能带来先天性损伤的风险。先进的监测技术通过新方案实现了对婴幼儿多种生理信号的连续监测。

图2 婴幼儿的解剖特征。婴幼儿的器官和系统仍处于生长发育阶段，相应的生理特征和身体功能与成人有很大不同。

图3 与身体系统或器官功能异常相对应的婴幼儿相关疾病。婴幼儿的身体系统或器官在解剖和生理上还不健全，很容易导致一些疾病的发生。此外，婴幼儿患有先天性遗传疾病的情况也较为常见。为此，迫切需要在婴幼儿早期阶段增加先进的生理监测能力，以稳定生命信号，降低婴幼儿发病率。

图4 婴幼儿生物电监测。(a) 人体内生物电的产生机制。(b) 在水平方向单轴拉伸16%的心电图EES的图像。(c) 用于婴幼儿心电图监测的柔性EES。(d) 使用心电图EES数据测定的心率与金标准的比较。(e) 定制的灵活无创连续视频和脑电图记录。(f) 在安静和活跃睡眠期间获得的脑电图记录（1号通道，黑色）和呼吸轨迹（绿色）。

图5 婴幼儿生物物理监测。(a) 用于儿科护理的脑血流动力学监测柔性贴片。(b) 将该设备与医疗级近红外设备从仰头角度进行比较的Bland-Altman分析。(c) 用于皮肤水合监测的无线柔性贴片。(d) 在不同条件下测量组织水合水平。(e）摩擦电水凝胶传感器示意图。(f) 软质可食用摩擦电水凝胶传感器的综合性能概况。(g) 从一名向前摔倒的婴幼儿身上收集到的多个信号。(h) 六种不同运动的混淆图。(i) 基于热敏可切换粘合剂的皮肤界面柔性装置。(j) 热转换粘合剂的结构。(k) 三轴加速度计收集的个人从事各种活动时的机械声学数据。

图6 婴幼儿生化监测。(a) 用于监测婴幼儿唾液中葡萄糖的奶嘴传感器示意图。(b) 基于摩擦电极电化学系统的选择性葡萄糖监测示意图。(c) 使用奶嘴生物传感器对两个不同个体进行的体内葡萄糖监测。(d) 集成智能电解质监测系统的商用奶嘴。(e) 一小时内钠离子和钾离子的实时连续监测。(f) 用于心血管预后和诊断的钠钾比值。(g) 柔性胆红素计系统示意图。(h) 柔性胆红素计的传感机制和接触。(i) 使用柔性胆红素仪和商用胆红素仪对经皮胆红素进行的 Bland-Altman 分析。(j) 可穿戴设备和商用经皮胆红素计的 Bland-Altman 图。

图7 婴幼儿多模态监测系统。(a) 婴幼儿胸部和四肢生理监测系统。(b) 由皮肤界面生物传感器收集的心率、SpO2、体温和温度梯度数据，以及胸部和四肢装置的标准临床测量数据。(c) 出于安全考虑，设计了具有反射反应的材料，以阻止婴幼儿误食。呼吸（d）、心脏活动（e）、体温（f）和心电图（g）数据由皮肤界面无线监测平台获得。(h) 基于激光诱导石墨烯的多模态柔性系统示意图，该系统由柔性传感器、无线数据传输和智能手机报警界面组成。

图8 软性电子设备进行高级婴幼儿监护的未来展望和转化考虑。若要实现具有预测性、预防性、参与性和高度个性化特点的婴幼儿护理服务，必须从传感器设计、能源供应、数据处理和数字互动等多个维度全面优化健康监控系统。具体而言，柔性生物传感器的创建应致力于实现材料的高效利用、传感机制的智能化以及性能指标的系统考虑。此外，电源的持久和可靠性也不容忽视，迫切需要开发低功耗而集成度高的能源系统。同时，采集的生理健康数据要求能够通过综合的硬件和软件平台进行高效而准确的处理分析。特别是，在5G和物联网技术飞速发展的今天，亟需构建闭环式的交互式监护系统，以实现随时随地地预防婴幼儿潜在疾患、提供即刻医疗干预并促进全面健康发展，对当前和未来的婴幼儿健康管理极具里程碑意义。

西安交通大学生命科学与技术学院博士生袁铭和西安交通大学第一附属医院博士生龙云祥为论文的共同第一作者，西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）方云生特聘研究员、徐峰教授、与西安交通大学第一附属医院林婷副主任医师为论文的共同通讯作者。该团队致力于开发柔性可穿戴智能生物诊疗系统，围绕“临床问题-科学研究-临床应用” 的研究思路，开展生物传感、智能诊疗和设备开发等理工医多学科交叉创新研究，拟揭示多模态生化和物理信息影响人类重大疾病的发生发展规律和机制，开发生物医学信息提取/处理、理解/认知和干预/调控的关键技术和设备。更多信息请访问：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yunshengfang

原文链接：

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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（责任编辑：xu）

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