对深层组织生物特征（尤其是内出血）进行准确评估，有助于及时诊断和管理关键的健康问题，进而改善患者护理。近年来，具有多种传感模式的可穿戴传感器在评估深层组织状况方面越来越受欢迎。配备MEMS加速度计、振动传感器和生物电位传感器的可穿戴设备，可以持续监测心脏搏动和心脏事件。通过利用智能算法，这些可穿戴设备可以评估出血严重程度和心脏功能。不过，这些传感器是通过测量皮肤表面与心脏活动有关的电气和机械信号来间接评估血容量的。在解决急性健康问题（如内出血或肺功能障碍）方面仍存在巨大差距，因此，能够直接实时剖析深层组织物理特性的先进传感器至关重要。
现有评估深层组织生物特征的监测工具包括计算机断层扫描（CT）等传统成像技术，以及对医疗基础设施要求较低的实时方法。近红外光谱（NIRS）利用光测量组织氧合和血容量，可用于出血评估。然而，由于光的穿透深度较小（≈10毫米），限制了其对深层组织的监测能力。此外，光学传感器通常功耗较高，而且其准确性会受到环境光和皮肤特性的影响。超声波成像利用超声波穿过组织并在遇到具有不同声阻抗的组织时发生反射，从而提供深层组织信息。超声波吸收率低，穿透深度较大（≈100毫米），能够检测主动脉的搏动。然而，超声波传感器需要与皮肤无缝接触，而且其制造工艺复杂，为可穿戴超声波深层组织监测带来了挑战。
阻抗和电容测量因其低功耗、灵活性和更大的穿透深度，在可穿戴深层组织监测中大有可为。阻抗层析成像对组织施加微小的交流电，并测量由此产生的电压，以确定出血的深度。然而，阻抗是在两个电极之间测量的，因此空间分辨率有限。除非两个电极之间的间距相当小，否则就无法了解组织和液体内部复杂的导电路径。电容断层扫描可在体内产生电场，检测组织和血液成分的介电常数变化，有助于出血评估。电容传感器通常采用共面电极阵列，以提高空间分辨率，降低功耗。然而，穿透深度也受到电极间距的限制。尽管存在上述局限性，但这些工具对于诊断出血、监测治疗进展以及定期健康检查至关重要。
本研究提出的可穿戴单电极电容传感器示意图
据麦姆斯咨询介绍，为了满足急性深层组织健康监测对可穿戴传感日益增长的需求，美国华盛顿大学机械工程系的研究人员提出了一种新型单电极电容传感器，该传感器由碳纳米管（CNT）复合材料制成，可用于检测深层组织电容。该传感器采用碳纳米管-纸复合材料（CPC）电极设计，并在其顶部分层嵌入了多壁碳纳米管（MWCNT）泡沫。CPC电极的大表面积和高纵横比纤维，能够产生高密度电场，与铜电极相比，可产生更大的穿透深度。研究人员利用心脏、肺部和动脉等替代模型，以介电常数和压力变化对区域深层组织的生物测定进行了表征。通过加入对压力敏感的MWCNT泡沫，该传感器显著提高了对介电常数和压力的灵敏度，从而能够精确检测深层组织的成分变化和组织位移。该研究成果实现了对猪模型中内出血的详细、实时监测。利用机器学习算法，该传感器可用于评估内出血的无创、智能可穿戴设备，与其它侵入式传感器相比，具有无创、更智能的优势。
传感器性能表征
心肺模型
猪模型的出血监测
总结来说，该研究首次推出了能够以可穿戴形式检测深层组织电容的单电极电容传感器。这项创新解决了深层组织监测的关键难题，例如可穿戴性和穿透深度，同时为内部器官监测和出血检测提供了新可能。穿透深度，可通过改变传感器直径进行调节，为各种生物医学应用提供了更大的通用性。传感区域，可根据皮下目标器官的距离进行调整。此外，通过集成单电极电容传感器阵列，还能显著提高其空间分辨率，实现对目标区域细微电容变化的精确检测。这些进步增强了深层组织监测的潜力，为内部器官的无创成像和动态活动的实时评估等变革性应用铺平了道路。通过将这些功能融入未来的可穿戴设备设计，这项技术有望变革可穿戴诊断和监测系统，提供新一代高灵敏、多功能的生物医学工具。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adsr.202400143
