西北大学《PNAS》：儿科护理的福音——无线皮肤传感器

来源：高分子科学前沿

在美国，每年有超过90万名0至19岁的儿童遭受与不规则脑灌注有关的神经系统损伤，其原因包括基因突变、早产、心脏病、外科手术干预和身体影响。此类脑灌注受损可能导致脑损伤、持续性神经功能障碍或死亡。在某些儿科人群中，这些风险可能特别高。具体而言，出生体重不足1,500 g的早产儿由于其脆弱的脑血管、自动调节系统欠发达以及颅骨板融合不全，脑组织容易受到伤害。其中25％至35％的婴儿由于动脉血压的显著波动或静脉系统阻塞而发展为脑室周围–脑室内出血，且由于心率（HR）和心输出量的紊乱，多达50％的婴儿会出现弥漫性白质损伤、白质血液供应不足或自动调节脑血流的能力有限。

可见，持续监测脑血流动力学对于维护小儿患者的健康神经发育至关重要。在许多儿科和新生儿神经重症监护病房中，通常会看到安装在相邻壁或架子上的基站硬连线设备，其被视为连续监测患者脑血流动力学的临床护理标准，这些硬连线设备探头常常使用物理胶带粘附在患者皮肤上。然而，与将此类系统粘合到皮肤上的胶粘剂相关的医源性皮肤伤害风险、其中涉及的金属丝缠绕可能会阻碍对儿科患者护理等至关重要的临床程序、影响患者的发育和康复等自然运动。

近日，西北大学John A. Rogers教授团队开发了一种机械柔性、灵活、小型化的无线传感监测系统，用于实时、连续地监测患者的全身和脑部血流动力学。对年龄介于0.2到15岁之间以及具有不同种族背景的儿科临床研究证实了其具备在手术医院环境中实际使用的能力。研究表明，该平台可以显着提高儿科患者的护理质量，尤其是在发达和发展中国家环境中存在脑和神经发育障碍风险的患者。该研究成果以 “ A wireless, skin-interfaced biosensor for cerebral hemodynamic monitoring in pediatric care ” 为题在线发表在顶级期刊PNAS上。

如图1所示，该监测系统的关键特性包括尺寸小巧、结构轻巧、与皮肤的柔和界面以及即使是最小的早产儿也具有与其头部形状的顺应性。除了先进的机械结构和物理尺寸外，该设备还具有以下特点：1）具有四个源-检测器距离的多光电二极管系统，可以同时探测全身和大脑的血流动力学；2）可更换的磁耦合电池，以最大程度地减小尺寸和重量，并支持配件在设备保持粘附在患者皮肤上的同时进行更换。

图1.  儿童血液动力学监测软无线设备的设计和机械特性

此外，作者采用光学蒙特卡洛建模、使用头部和大脑组织MRI轮廓定义的几何形状来定义穿过皮肤、头骨和大脑的探测深度。

图2.  NIR在脑组织中的光学分布

随后，作者通过利用多波长反射模式光体积描记法和功能近红外光谱仪，能够测量患儿的脑氧合、心率、周围氧合及潜在的脑脉压和血管张力。

图3. 脑血流动力学监测设备的操作特性

最后，研究团队在运营医院中使用该系统对年龄介于0.2至15岁之间，有无脑自动调节受损即先天性中枢通气不足综合征CCHS小儿患者的临床研究证实了该系统的临床适用性，并确定了其相对于既有技术的优势。

图4. 有或没有CCHS儿科受试者的数据收集

本文提出的工程方法充分考虑了智能护理输入的理念，以实现鲁棒、以临床为重点的设计，其灵活的机械结构可实现柔和、贴合的界面，且可以有效地将光学器件耦合到高度弯曲的身体部位，为儿科患者提供了小型化、灵活、可更换电池、无线、连续的脑血流动力学监测系统。初步临床研究表明，该系统适用于各种年龄组（从婴儿到年轻人）、肤色和性别的可行性，证明了其潜在的临床用途和广泛的可扩展性。