این حسگرهای انعطافپذیر که بهصورت چاپاسکرین روی یک سطح چسبمانند و منعطف نصب شدهاند، به ایربادز متصل میشوند و قادرند دادههای زیستی را بهصورت بیسیم منتقل کنند. سپس این دادهها روی تلفن همراه یا لپتاپ برای تحلیل و نمایش پردازش میشوند.
به گزارش پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سندیگو، این سامانه میتواند برای پایش بلندمدت سلامت و حتی تشخیص زودهنگام برخی بیماریهای تحلیلبرنده عصبی مورد استفاده قرار گیرد. دادههای جمعآوریشده شامل سیگنالهای مغزی و شاخصهای مرتبط با تعریق و فعالیت بدنی هستند.
در مقایسه با تجهیزات پیشرفته فعلی که برای ثبت فعالیت الکتریکی مغز یا سنجش ترشحات بدن به کار میروند، این فناوری بسیار سادهتر و کمدردسرتر است و امکان استفاده در شرایط واقعی، مانند هنگام ورزش، را فراهم میکند.
اگرچه پیشتر نیز حسگرهای درونگوشی برای سنجش برخی شاخصهای فیزیولوژیک توسعه یافته بودند، اما ادغام همزمان پایش سیگنالهای مغزی و دادههای بدن در یک پلتفرم واحد، نوآوری اصلی این پروژه محسوب میشود.
این دستاورد حاصل همکاری میان مهندسان زیستپزشکی، شیمی، برق و نانوفناوری است و نشاندهنده روند رو به رشد ادغام الکترونیک پوشیدنی با فناوریهای سلامت دیجیتال است.
دادهها و اعتبارسنجی
دادههای حاصل از الکتروانسفالوگرام (EEG) که فعالیت الکتریکی مغز را اندازهگیری میکند، و همچنین لاکتات عرق—یک اسید آلی که بدن هنگام ورزش و فعالیت متابولیک طبیعی تولید میکند—میتوانند برای اهداف مختلف با یکدیگر ترکیب شوند. برای مثال، این دادهها میتوانند برای تشخیص انواع مختلف تشنج، از جمله تشنجهای صرعی، مورد استفاده قرار گیرند. همچنین میتوان از آنها برای پایش میزان فشار واردشده در حین فعالیت بدنی و بررسی سطح استرس و تمرکز استفاده کرد.
پژوهشگران دادههای جمعآوریشده در این مطالعه اثبات مفهومی را با دادههای بهدستآمده از هدستهای EEG خشکِ تجاری و نمونههای خونی حاوی لاکتات مقایسه و اعتبارسنجی کردند. نتایج نشان داد که حسگرهای انعطافپذیر عملکردی همتراز با این روشهای استاندارد دارند.
این تیم پژوهشی نتایج کار خود را در مقالهای منتشر کرده که روی جلد شماره اکتبر ۲۰۲۳ نشریه Nature Biomedical Engineering قرار گرفته است.
پژوهشگران آیندهای را تصور میکنند که در آن سامانههای تصویربرداری عصبی و پایش سلامت با حسگرهای پوشیدنی و دستگاههای همراه مانند گوشیهای هوشمند، ایربادز، ساعتها و سایر ابزارها یکپارچه شوند تا فعالیت مغز و سطح طیف گستردهای از متابولیتهای مرتبط با سلامت را در طول روز پایش کنند. این امر میتواند به کاربران کمک کند تواناییهای شناختی و جسمی خود را بهبود دهند.
به گفته گیرت کاوِنبرگز، استاد دپارتمان مهندسی زیستپزشکی دانشگاه UC San Diego، «توانایی اندازهگیری همزمان فعالیت شناختی مغز و وضعیت متابولیک بدن در یک دستگاه درونگوشی یکپارچه که مزاحم راحتی و تحرک کاربر نیست، فرصتهای عظیمی برای ارتقای سلامت و بهزیستی افراد در هر سن و در هر زمان و مکان ایجاد میکند.»
چرا ایربادز؟
به گفته تیم پژوهشی، استفاده گسترده از ایربادزها یک فرصت استفادهنشده برای جمعآوری سیگنالهای مغزی و بدنی به شکل ساده و روزمره ایجاد میکند.
پاتریک مرسیر، استاد مهندسی برق و کامپیوتر UC San Diego، میگوید: «ایربادزها دهههاست وجود دارند و در بسیاری جهات از نخستین ابزارهای پوشیدنی بازار بودهاند. این پژوهش نشان میدهد که میتوان با ارتقای قابلیتهای همین ابزارهای روزمره، دادههای مهمی از بدن جمعآوری کرد. چون مانع بزرگی برای استفاده از این فناوری وجود ندارد، انتظار داریم به پذیرش گسترده برسد.»
به گفته یوشن شو، از نویسندگان اصلی مقاله، گوش به دلیل داشتن غدد عرق و نزدیکی به مغز یک نقطه مناسب برای این نوع سنجش است: «این یک ورودی طبیعی است—مردم به استفاده از ایربادز عادت دارند.»
ساخت حسگرها
این سامانه به همکاری چندرشتهای نیاز داشت و در مرکز حسگرهای پوشیدنی UC San Diego توسعه یافت. در این پروژه، تخصص مهندسان زیستپزشکی، نانومهندسی و مهندسی برق برای طراحی حسگرهای انعطافپذیر و کممصرف ترکیب شد.
یکی از نویسندگان مقاله توضیح میدهد که هدف، کوچکسازی حسگرها برای نمونهبرداری از مقدار بسیار کم عرق و همچنین سازگار کردن آنها با شکل غیرمنظم گوش بوده است. در نهایت، طراحی «حسگرهای چسبمانند و کشسان» انتخاب شد که روی ایربادز نصب میشوند.
پژوهشگران برای اندازهگیری سیگنالهای EEG، از الکترودهای سهبعدی فنردار استفاده کردند و برای جمعآوری عرق نیز از لایهای هیدروژلی شفاف و جاذب بهره گرفتند که مانند اسفنج عمل میکند و همزمان نقش ضربهگیر بین پوست و حسگر را دارد.
یکی از چالشهای اصلی، جلوگیری از تداخل سیگنالها در فضای بسیار کوچک گوش بود. با طراحی ساختارهای جداگانه و فاصلهگذاری حدود دو میلیمتری، امکان ثبت همزمان سیگنالهای مغزی و متابولیکی فراهم شد.
فرصتهای آینده
یکی از محدودیتهای فعلی این سیستم این است که برای اندازهگیری دقیق لاکتات، فرد باید فعالیتی انجام دهد که باعث تعریق شود. پژوهشگران در آینده قصد دارند این محدودیت را حذف کنند.
همچنین هدف بعدی، ادغام کامل الکترونیک در خود حسگر و پردازش دادهها روی دستگاه است تا فقط دادههای پردازششده به گوشی یا رایانه ارسال شود. در آینده حتی میتوان سنجشهایی مانند اکسیژن خون و گلوکز را نیز اضافه کرد.
پژوهشگران همچنین به کاربردهای درمانی فکر میکنند؛ از جمله استفاده از بازخورد عصبی صوتی (auditory neurofeedback) برای کمک به درمان اختلالاتی مانند وزوز گوش (tinnitus) که در حال حاضر درمان مؤثری ندارند.
ارزیابی حسگر
در طول مطالعه، عملکرد الکترودها، الگوهای مختلف EEG، حساسیت و پایداری حسگرهای لاکتات و همچنین میزان تداخل سیگنالها بهطور گسترده آزمایش شد. نتایج نشان داد که گوش یک محیط کمتر استفادهشده اما بسیار ارزشمند برای پایش مداوم بدن است.
به گفته یکی از پژوهشگران نانومهندسی، این فناوری مسیر را برای توسعه نسل جدیدی از پوشیدنیها باز میکند که قادرند همزمان سیگنالهای فیزیکی و شیمیایی بدن را در زمان واقعی ثبت کنند.
