超灵敏的电化学传感器可监听心脏和肺部

　　心律不齐，呼吸急促...这些症状通常是患有心肺疾病的患者感染的最初迹象。但是心脏和呼吸频率的变化可能很小，尤其是在感染的早期阶段。因此，能够准确跟踪心脏和肺部活动的细微变化的传感器对于临床医生来说，是非常有用的，尤其是在COVID-19大流行期间。

　　为此，徐勇和他在韦恩州立大学和亚利桑那州立大学的团队开发了一种可穿戴式电化学传感器，该传感器可以超高灵敏度记录心和肺的声音。这种低成本的设备装在用于假肢的皮肤安全硅橡胶EcoFlex 00-20中，可以帮助诊断和长期管理许多心血管疾病和呼吸道疾病。

　　监测最微弱的声音

　　28毫米宽的传感器设计用于戴在患者的胸部，使用碘化物/三碘化物（I–/I 3–）氧化还原化学物质来测量来自心脏和肺部的机械声学信号（声音）。

　　I–/I 3–氧化还原对在运动传感器技术上并不陌生。例如，某些高性能地震仪使用基于碘的电化学将低频地面振动转换为电信号。这是因为由氧化还原反应产生的电流（用于生成输出信号的转换机制）对最小的机械运动都极为敏感。

　　徐勇和他的团队将相同的转导原理应用于他们的设备。该传感器由填充有包含I电解质溶液的圆形腔体的-我3-。腔连接到包含两个铂阳极-阴极对的通道。腔和通道的顶部装有一个500μm EcoFlex隔膜，该隔膜与患者的皮肤接触。

　　当在两个阳极上施加直流电压时，电流在每个阳极－阴极对之间流动。随后，两个电流都使用10kΩ反馈电阻和8.5 nF反馈电容器转换为电压。然后，这些电压由数据采集板记录并进行处理以获得差分电压-传感器的最终输出信号。

　　由于EcoFlex具有柔韧性，因此患者胸部的小动作（例如，他们的心跳）会导致隔膜沿通道移动电解液。I–/I 3–离子相对于每个电极的运动会产生电流变化。在差分电压信号中可以观察到这种变化。

　　初步测试显示出希望

　　到目前为止，该设备仅在一名志愿者上进行过测试。但是，它始终以超过6：1的信噪比记录他们的心跳。

　　传感器以出色的灵敏度检测心脏（上图）和肺（下图）信号

　　为了测量比心音安静得多的肺音，志愿者执行了一组五个连续的呼吸周期。在输出信号的波形上很容易看到吸气，屏气和呼气的每个周期。

　　研究人员还通过使用高频（20至300 Hz）或低频（0.1至15 Hz）带通滤波器处理原始数据来监测志愿者的呼吸频率。高频滤波器用于提取心音信号的振幅，该振幅随呼吸过程中患者胸部体积的变化而变化。同时，低频滤波器被用来隔离信号的低频分量，该低频分量对应于传感器在每个呼吸周期中胸部扩展和收缩时的变形。

　　虽然初步，但结果表明该传感器可如何应用于可穿戴健康监控。研究人员预想，该技术可用于心脏病的自我管理（如心力衰竭）以及诊断呼吸道疾病（如COVID-19）。