在健康監(jiān)測的賽道上，大家是不是覺得手腕上的智能手環(huán)已經(jīng)很厲害了？能測心率、步數(shù)，還能看看睡眠質(zhì)量。但今天得跟大家系統(tǒng)性分享耳部軟電子技術(shù)的前沿研究成果，它使得耳朵可能會成為健康監(jiān)測的“新寵兒”！
近日，西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所（BEBC）方云生特聘研究員、徐峰教授和西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科李白芽副主任醫(yī)工交叉團隊在Advanced Functional Materials（影響因子：18.5）上發(fā)表了 “Ear-area Soft Electronics for Advanced Healthcare Monitoring”的綜述文章，為我們揭示了耳部軟電子技術(shù)在人體健康監(jiān)測方面的巨大潛力。
該綜述系統(tǒng)介紹了耳部的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、常見疾病以及對應(yīng)的治療手段，基于這些基礎(chǔ)知識探討了耳部醫(yī)療領(lǐng)域最新的生物電、生物物理、生物化學(xué)以及多模態(tài)檢測技術(shù)的研究成果，并全面總結(jié)了新型材料與技術(shù)在耳部疾病診斷與治療中的科研進展。此外，文章還深入探討了在數(shù)字化時代，基于先進技術(shù)的耳部健康智能監(jiān)測系統(tǒng)在傳感器研發(fā)、數(shù)據(jù)解析、能源供應(yīng)以及人機交互等方面所面臨的當前難題和未來發(fā)展趨勢。最后，文中還特別強調(diào)了在臨床實際應(yīng)用過程中，耳部相關(guān)醫(yī)療產(chǎn)品在穩(wěn)定性、患者適配度、成本控制、行業(yè)標準統(tǒng)一以及法律法規(guī)遵循方面所面臨的挑戰(zhàn)，為耳部健康管理的未來發(fā)展提供了全新思路。圖1展示了在新材料、電子技術(shù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，基于耳部軟電子設(shè)備用于人體生物電、生物物理、生物化學(xué)和多模態(tài)生理信息監(jiān)測的概念圖。
圖1. 耳部軟生物電子設(shè)備用于人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念圖
耳朵，可不只是個聽聲音的器官，它簡直就是人體健康的“信息寶庫”（圖2）。從臨床角度看，耳朵的結(jié)構(gòu)超復(fù)雜，外耳、中耳、內(nèi)耳各有分工，還和大腦、肌肉、血管緊密相連，神經(jīng)分布也特別密集。它就像一個精密的小宇宙，里面藏著無數(shù)關(guān)于我們健康的秘密。比如說，通過耳朵能采集到腦電（EEG）、心電（ECG）、肌電（EMG）等生物電信號，這些信號能直接反映神經(jīng)興奮性、心臟活動和肌肉狀態(tài)。耳內(nèi)毛細血管的光學(xué)特性還能實現(xiàn)無創(chuàng)血流動力學(xué)監(jiān)測，就連耳膜溫度都能當作核心體溫的可靠指標，耳部分泌物也能透露我們的精神狀態(tài)。這么看來，耳朵簡直就是人體健康的“晴雨表”，只是以前沒被好好利用罷了。
圖2. 耳部軟生物電子設(shè)備用于人體人體健康監(jiān)測的物理基礎(chǔ)和特征
在 5G 和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的時代背景下，耳部軟電子技術(shù)嶄露頭角。這種技術(shù)制造的設(shè)備就像為耳朵量身定制的 “智能鎧甲”，能夠完美貼合耳朵的復(fù)雜形狀，憑借其出色的柔韌性、皮膚貼合性和生物相容性，實現(xiàn)對多種生物信號的精準采集與分析。接下來，咱們詳細看看這些神奇的耳部軟電子設(shè)備都有啥本事。
先說說耳部軟生物電電子設(shè)備。生物電是人體生理活動的 “隱形指揮官”，對維持人體正常的生理功能起著至關(guān)重要的作用。我們的大腦在思考、睡眠時，神經(jīng)元之間通過生物電信號進行著復(fù)雜而有序的信息傳遞；心臟的每一次跳動，都伴隨著生物電的規(guī)律性變化，這些變化精準地調(diào)控著心臟的收縮與舒張；肌肉的運動同樣依賴生物電的刺激，使我們能夠自由活動?？梢哉f，生物電貫穿于人體生命活動的每一個角落，反映著身體各個器官和系統(tǒng)的運行狀態(tài)。耳部軟生物電電子設(shè)備正是基于人體生物電的傳導(dǎo)特性來實現(xiàn)健康監(jiān)測的。想象一下，有個小設(shè)備能塞進耳朵里，像個忠誠的小衛(wèi)士一樣，24小時監(jiān)測你的大腦活動（圖3）。比如SpiralE耳腦電監(jiān)測裝置，它能精準采集腦電信號，信號質(zhì)量比在頭皮上采集的還要好，對睡眠監(jiān)測、癲癇診斷這些都超有幫助。還有一種干接觸式設(shè)備，能放在耳朵里收集腦電信號，評估睡眠質(zhì)量，比傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)測方法方便太多了。而且，通過優(yōu)化算法、選對監(jiān)測位置和電極材料，耳心電信號監(jiān)測也越來越精準，對心律失常等心臟疾病的診斷意義重大。
圖3. 生物電信號監(jiān)測
再看看耳部軟生物物理電子設(shè)備。這類設(shè)備在人體健康監(jiān)測中同樣占據(jù)著重要地位，它利用多種物理原理，從不同角度為我們提供豐富的健康信息（圖4）。例如，心血管系統(tǒng)的健康狀況直接關(guān)系到人體的整體健康，而耳部軟生物物理電子設(shè)備能夠?qū)崟r、精準地監(jiān)測心率、血壓、血氧飽和度等關(guān)鍵指標。其監(jiān)測原理主要基于光、力、聲等物理現(xiàn)象。以光電容積脈搏波（PPG）技術(shù)為例，耳內(nèi)毛細血管中的血液在心臟跳動的作用下會發(fā)生周期性的充盈和排空，導(dǎo)致光線在血液中的吸收和反射發(fā)生變化。PPG 傳感器通過發(fā)射特定波長的光，并檢測反射光的強度變化，就能轉(zhuǎn)化為反映心率、血壓等信息的電信號。另外，集成在耳機中的摩擦電傳感器利用摩擦起電的原理，能夠?qū)⒍恐車∪膺\動、動脈血流產(chǎn)生的微小機械振動轉(zhuǎn)化為電信號，從而實現(xiàn)對耳后動脈和顳淺動脈血流情況的監(jiān)測，還能借助聲音測量心率和心率變異性，為心血管疾病的預(yù)防和診斷提供有力支持。
圖4. 生物物理信號監(jiān)測
耳部軟生化電子設(shè)備也不甘示弱。體的代謝過程會產(chǎn)生各種生化物質(zhì)，這些物質(zhì)的含量變化往往能反映出身體的健康狀況。耳朵的汗液和間質(zhì)液中含有豐富的生化標志物，如酒精代謝物、皮質(zhì)醇、葡萄糖等，它們就像身體的 “健康指示燈”，一旦出現(xiàn)異常，可能預(yù)示著身體存在某些問題（圖5）。耳部軟生化電子設(shè)備主要通過微流控技術(shù)和電化學(xué)、光化學(xué)檢測方法來監(jiān)測這些生化標志物。微流控技術(shù)能夠精確地收集、運輸和分析微小體積的生物流體樣本。電化學(xué)檢測是讓分析物與傳感器電極直接接觸或與酶修飾電極發(fā)生反應(yīng)，通過測量電流、電位等電信號的變化來確定分析物的濃度。光化學(xué)檢測則是利用酶催化分析物的氧化還原反應(yīng)，使反應(yīng)過程中釋放出熒光，通過檢測熒光強度來實現(xiàn)對目標分析物的檢測。這兩種檢測方法相互結(jié)合，能夠為我們提供多維度的生化信息，幫助我們更好地了解身體的代謝情況，比如判斷運動強度是否合適，為糖尿病患者提供血糖監(jiān)測等。
圖5 生物化學(xué)信號監(jiān)測
單一的監(jiān)測手段難免有局限，所以耳部軟多模態(tài)電子設(shè)備就應(yīng)運而生了。人體是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，單一的監(jiān)測方式往往只能獲取部分信息，難以全面、準確地評估健康狀況。而耳部軟多模態(tài)電子設(shè)備則像是一個“超級健康監(jiān)測站”，它整合了生物電、生物物理和生化等多種監(jiān)測手段，能夠同時從多個維度采集人體健康數(shù)據(jù)。這種設(shè)備的工作原理是將不同類型的傳感器集成在一起，協(xié)同工作。例如，將生物電傳感器、生物物理傳感器和生化傳感器整合在一個小巧的設(shè)備中，同時監(jiān)測腦電、心電、心率、血壓、血糖等多種生理指標。通過對這些多維度數(shù)據(jù)的綜合分析，能夠更全面地反映人體的健康狀態(tài)，對疾病進行更準確的診斷。比如，將腦電和肌電信號結(jié)合，可以更全面地評估神經(jīng)系統(tǒng)功能；將生物物理和生化監(jiān)測結(jié)合，有助于篩查月經(jīng)周期紊亂、庫欣綜合征等復(fù)雜疾病，為個性化醫(yī)療提供更精準的依據(jù)（圖6）。
圖6 多模態(tài)生物信號監(jiān)測
盡管耳部軟電子技術(shù)前景廣闊，但目前仍面臨一些挑戰(zhàn)。從技術(shù)層面看，材料選擇就很關(guān)鍵，要兼顧柔韌性、導(dǎo)電性和生物相容性。電源供應(yīng)也得好好研究，得找到高效、可持續(xù)的供電方式，讓設(shè)備能長時間穩(wěn)定工作。電路設(shè)計要更優(yōu)化，減少干擾，適應(yīng)不同環(huán)境。信號處理方面，得想辦法去除運動偽影，提高數(shù)據(jù)準確性。無線通信也得更安全、高效，讓數(shù)據(jù)傳輸又快又穩(wěn)。從實際應(yīng)用角度看，還得解決設(shè)備與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性問題，提高用戶接受度，控制成本，建立統(tǒng)一的標準（圖7）。
圖7. 耳部軟生物電子設(shè)備未來發(fā)展從傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)化方面的展望
未來，耳部軟電子技術(shù)有望成為個性化醫(yī)療的重要組成部分。想象一下，以后我們戴著一副智能耳機，就能實時掌握自己的健康狀況，及時發(fā)現(xiàn)潛在疾病風(fēng)險，實現(xiàn)真正的“治未病”。這一技術(shù)還可能推動可穿戴和植入式電子設(shè)備的大變革，讓醫(yī)療監(jiān)測變得更便捷、高效。說不定哪天去醫(yī)院看病，醫(yī)生不用再給你戴各種復(fù)雜的儀器，只看看你耳朵上的小設(shè)備，就能對你的健康狀況了如指掌。期待在科研人員的努力下，耳部軟電子技術(shù)會越來越成熟，走進我們的日常生活，為我們的健康保駕護航。
西安交通大學(xué)電氣學(xué)院大三本科生俞越和電信學(xué)部大三本科生張浩宇為論文的共同第一作者，西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所（BEBC）方云生特聘研究員、徐峰教授、與西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科李白芽副主任為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才基金、航空科學(xué)基金、生命學(xué)院-第一附屬醫(yī)院醫(yī)工交叉項目等支持。
方云生研究團隊致力于開發(fā)柔性可穿戴智能生物診療系統(tǒng)，目前著力于可穿戴超聲設(shè)備的開發(fā)和人體深組織診療，開展了生物傳感、智能診療和設(shè)備開發(fā)等理工醫(yī)多學(xué)科交叉創(chuàng)新研究。通過理論和實驗探究擬揭示多模態(tài)生化和物理信息影響人類重大疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和機制，開發(fā)生物醫(yī)學(xué)信息提取/處理、理解/認知和干預(yù)/調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。相關(guān)研究為解決可穿戴生物電子系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境應(yīng)力條件下面臨的生物傳感器大規(guī)模制造（難點一）、智能健康數(shù)據(jù)處理（難點二）以及診斷治療一體化集成系統(tǒng)（難點三）這三大技術(shù)挑戰(zhàn)提供了理論和實驗支撐,為解決跨多學(xué)科的耦合設(shè)計和電子系統(tǒng)-人體系統(tǒng)的界面-力學(xué)-交互的多維集成，提供了可靠的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。目前已在主流期刊上發(fā)表論文40余篇，其中以第一/共同第一作者或通訊/共同通訊作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials（2篇）、The Innovation、Materials Today（2篇）、Matter（3篇）、ACS Nano（2篇）、Advanced Functional Materials（2篇）等期刊發(fā)表論文30余篇，被引用3800余次，6篇入選ESI高被引論文，7篇被選為封面文章，H因子31；申請中國發(fā)明專利9項(5項已授權(quán))。目前還擔任The Innovation(IF =33.2)、SmartMat(IF =15.3)、Nano-Micro Letters(IF =31.6)、Advanced Fiber Materials(IF =17.2)、Med-X和Soft Science等多個國際高水平期刊青年編委。
更多信息請訪問：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yunshengfang
西安交通大學(xué)仿生工程與生物力學(xué)研究所(BEBC)圍繞“科學(xué)研究-技術(shù)研發(fā)-工程應(yīng)用-臨床推廣”的學(xué)術(shù)思想和“臨床問題 (BED)-實驗室研究 (BENCH)-臨床應(yīng)用 (BED)”的研究思路，在力學(xué)微環(huán)境領(lǐng)域開展了從組織到細胞和分子尺度的多尺度生物熱-力-電耦合學(xué)等基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，為闡明重大疾病的發(fā)病機理和臨床診療提供有效的理論指導(dǎo)和技術(shù)方案。特別是近年來，在生物力學(xué)和力學(xué)生物學(xué)的研究基礎(chǔ)上，通過工程學(xué)手段，將不同尺度的力學(xué)調(diào)控引入疾病治療，開展了一系列基于生物力學(xué)和力生物學(xué)的力醫(yī)學(xué)（Mechanomedicine）研究，相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Materials (2017, 2022)、Nature Chemistry (2019)、Nature Biomedical Engineering (2020，2021)、PNAS (2022，2023)、Nature Communications (2023, 2022, 2021)、 Nature Reviews Bioengineering (2023) 、 Science Advances (2023, 2019)等期刊。
Yu, Y.#, Zhang, H. Y.#, Pan, X. S., Yuan, M., Sun, Y. Y., Han, P., Quan, F., Li, B. Y.*, Xu, F.*, Fang, Y. S.*, Ear-area Soft Electronics for Advanced Healthcare Monitoring. Advanced Functional Materials, 2025,
DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202505046
來源：高分子科學(xué)前沿
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