AirPods可以監測大腦信號了？！

還是能預測阿爾茨海默癥和帕金森的那種？

最近，一款耳內傳感器登上了Nature。

把它“貼”在AirPods等耳機上，不僅能監測佩戴者的腦電波，還能監測汗液中的乳酸濃度。

如此一來，得到的數據就可用于癲癇、阿爾茨海默癥等神經退行性疾病的早期診斷。

關鍵它還很小巧插入耳朵中幾乎看不見，且由柔性材料制作佩戴起來也很舒適。

研究人員將這款傳感器的檢測數據與市售腦電圖設備和含有乳酸的血液樣本數據進行了比較。

結果證實，使用這種傳感器收集的數據與現有方法檢測出的結果基本一致。

其實早在幾個月前，蘋果就為AirPods申請了一項設計專利，瞄準的就是能夠監測腦電圖、肌電圖、心電圖等生物信號這個方向。

但沒想到蘋果這邊還沒啥動靜，就有相關研究搶先做出來了。

所以這款傳感器到底長啥樣？

佩戴舒適且能貼合不同耳型

此前臨床數據已證實，監測和控制代謝物（如乳酸）水平對提高大腦功能、增強神經可塑性和血管生成方面具有促進作用。

但目前將腦電信號和代謝物水平監測集成到單一可穿戴傳感器設備的研究很少，尤其還是像耳機這樣小巧型的。

主要是因為不同傳感模式的傳感器之間存在串擾，繼而會影響測量信號的準確性。

而且在身體上找一個最佳的“共傳感”位置也很重要。

為了解決上述問題，來自加州大學圣地亞哥分校的研究團隊研究了耳內功能結構，并使用特殊的布局設計、材料以及制造工藝，制成了這款集成的耳內傳感器。

耳內自然是“共傳感”的絕佳位置之一，主要是因為其不僅鄰近中樞神經系統、主要脈管系統和聽覺皮層，還有多個外分泌汗腺，并且具有錨固結構、機械穩定。

但是耳內空間極其有限、不同人的解剖結構變化很大，所以開發一種通用的耳內傳感器仍是一個不小的挑戰。

下面來看研究人員具體是如何設計的。

首先為了獲得最佳集成效果，研究人員根據耳道內的功能設置了傳感器的布局。

他們找來了參與者進行耳汗分布測試，確定耳道內汗腺分泌較多的區域。

然后將電化學電極（監測汗液中乳酸濃度）朝向這些區域。而電生理電極（監測腦電波）則朝向顳葉區域，也就是更接近腦電信號源。

△白色虛線輪廓表示電化學（左）和電生理（右）電極的位置

在結構上，用于監測腦電波的部分采用了3D立體設計和“發條”支撐結構，不僅保證了與不同耳型的貼合性，也進一步增大了與耳道皮膚的接觸面積，從而獲得更強更穩定的腦電信號。

監測乳酸濃度的部分表面覆蓋了PVA凝膠層，該凝膠層具有親水性和多孔結構，能夠有效吸收和聚集汗液，提高了乳酸檢測的靈敏度和穩定性。

此外，傳感器的制成材料大多具有耐化學性和拉伸性，蛇形線路設計也進一步提高了延展性，橫向拉伸20%也能保持正常工作。

為了能與大多數耳機硅膠耳套整合在一起，傳感器還帶有一個粘合層的平底，整體結構如下：

△中間還包含SEBS材料制成的絕緣層

制造過程則是采用了快速且低成本的打印-粘合-組裝工藝：

△傳感器打印以及與電子設備黏貼組裝

配備傳感器的耳機制成了，下面來看性能測試結果。

腦電、乳酸雙模精準監測

先來看腦電波的傳感性能。

研究人員進行了阻抗測試，發現傳感器與耳道界面阻抗良好；直流偏置測試結果，也顯示傳感器的偏置電壓分布正常。

眼電圖測試證明傳感器可用于眼電圖信號的檢測；聽覺穩態響應測試也表明傳感器可用于聽覺腦電信號的檢測。

針對乳酸傳感性能，研究人員測試了傳感器的線性范圍、選擇性、穩定性等指標，結果也都優異。

此外，串聯測試表明兩種傳感模式可以同時工作，可以消除短暫串擾。

隨后研究人員又進行了人體實驗，讓5名參與者進行有氧運動，監測腦電波和乳酸變化。

結果顯示運動前后腦電波各頻段和乳酸濃度發生一致性升高和降低，也就是實現了兩種模式的連續、同步感測。

總的來說，相較于現有技術，該傳感器形式因子小、佩戴舒適度高、可以用于日常健康監測。

但研究人員也指出該研究也存在一些局限。

比如，實驗僅測試了單次20分鐘的急性運動，未進行長時間的持續監測，無法觀察長期效應；研究僅針對健康人群，沒有在特定病患群體中驗證傳感器的監測效果；雖然研究表明兩種傳感模式可以同時使用，但未完全排除串擾的影響。

此外，研究人員還指出之后可以與低功耗集成電路結合，進一步提高便攜性。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41551-023-01095-1