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。人們可以使用該設備每天提供幾次讀數，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)數天讀取血壓。超薄的光傳感器可以在患者進行日?；顒訒r監(jiān)測他們的血壓。

“血壓是一個非常重要的生命體征，”德州農工大學電氣和計算機工程教授Roozbeh Jafari說?！皦毫梢詺⑷?。壓力會導致血壓變化，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，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，可以從皮膚毛細血管準確測量心率，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奧斯汀分校的電氣和計算機工程教授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，但它并不直接轉化為血壓。因此，該團隊構建了一種機器學習算法，以根據幾個不同的參數準確估計血壓，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，并在志愿者進行積極鍛煉時測量血壓。為了確定準確性，他們將讀數與使用金標準血壓袖帶技術獲取的定期讀數進行了比較。

一些參與者在 38°C 的室外進行了艱苦的步行，其他參與者則進行了俯臥撐。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)測很容易實現，因為紋身會持續(xù) 7 天。

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

審核編輯 ：李倩