Tragbare Geräte sind zu einem großen Teil der modernen Gesundheitsversorgung geworden und haben dazu beigetragen, die Herzfrequenz, den Stress und die Gehirnaktivität eines Patienten zu verfolgen. Diese Geräte auf Elektrode verlassen Sensoren, die die Haut berühren, um elektrische Signale aus dem Körper aufzunehmen.
Das Erstellen dieser Elektroden ist nicht so einfach, wie es scheint. Menschlich Haut ist komplex. Seine Eigenschaften, wie es gut es läuft, können sich ändern, je nachdem, wie es ist, wie alt Sie sind oder sogar das Wetter. Diese Änderungen können es schwierig machen, zu testen, wie gut ein tragbares Gerät funktioniert.
Zusätzlich beinhaltet Testelektroden häufig menschliche Freiwilligewas schwierig und unvorhersehbar sein kann. Die Haut aller ist anders, was bedeutet, dass die Ergebnisse nicht immer konsistent sind. Tests braucht auch Zeit und Geld. Außerdem gibt es ethische Bedenken, die Menschen zu bitten, an diesen Experimenten teilzunehmen, einschließlich der Überprüfung, ob sie über die Risiken und Vorteile informiert sind und freiwillig teilnehmen können.
Wissenschaftler haben versucht zu schaffen Künstliche Hautmodelle Um einige dieser Probleme zu vermeiden, konnten vorhandene jedoch nicht in der Lage waren, die Art und Weise, wie sich die Haut beim Interagieren mit tragbaren Sensoren verhält, nicht vollständig nachzuahmen. Um diese Einschränkungen anzugehen, meine Kollegen und ich ein Werkzeug namens a entwickelt haben Biomimetische Hautphantom – Ein Modell, das das elektrische Verhalten der menschlichen Haut nachahmt und tragbare Sensoren erleichtert, billiger und zuverlässiger wird.
Was ist ein Hautphantom?
Unser Biomimetische Hautphantom besteht aus zwei Schichten, die die Nuancen sowohl der Hautoberfläche als auch der tieferen Gewebe erfassen. “Biomimetisches” bedeutet, dass es etwas aus der Natur nachahmt – in diesem Fall menschliche Haut. „Phantom“ bezieht sich auf ein physikalisches Modell oder ein Gerät, um die Eigenschaften von etwas Realem wie menschlichem Gewebe nachzuahmen, sodass es für die Forschung verwendet werden kann, anstatt sich auf tatsächliche Menschen zu verlassen.
Die untere Schicht ahmt das tiefere Gewebe unter der Haut nach. Es wird aus einer gelähnlichen Substanz hergestellt, die genannt wird Polyvinylalkohol -Kryogeldie so eingestellt werden kann, dass sie Weichheit und elektrische Leitfähigkeit ähnlich wie bei realen biologischen Geweben haben. Wir haben dieses Material ausgewählt, weil diese Eigenschaften zusammen mit seiner Haltbarkeit und breitem Einsatz in der biomedizinischen Forschung einen guten Einsatz für die tieferen Hautschichten machen.
Die oberste Schicht ahmt den äußersten Teil der Haut nach, der als Stratum Corneum bekannt ist. Es wird aus einem gemacht Silikonartiges Material PDMS genanntdie mit speziellen Zusatzstoffen gemischt wird, um den elektrischen Eigenschaften der Haut zu entsprechen. PDMS ist auch in der biomedizinischen Forschung weit verbreitet und ist flexibel und leicht zu formen, um die äußere Schicht der Haut genau zu replizieren.
Ein einzigartiges Merkmal unseres Hautphantoms ist seine Fähigkeit, verschiedene Werte von nachzuahmen Hautflüssigkeit. Die Flüssigkeitszufuhr wirkt sich aus, wie gut die Haut Strom leitet. Trockene Haut hat einen höheren Widerstand, was bedeutet, dass sie den Stromfluss widerspricht. Dies macht es für tragbare Geräte schwieriger, Signale aufzunehmen. Die hydratisierte Haut leitet Elektrizität leichter, da Wasser die Bewegung von geladenen Partikeln verbessert und zu besserem führt Signalqualität. Die Verbesserung der modellierten und getesteten trockenen Haut kann zu besseren Elektrodenkonstruktionen führen.
Um die Auswirkungen von Hauthauthydratation zu replizieren, wir eingeführte einstellbare Poren in die obere PDMS -Schicht des Hautphantoms. Durch die genaue Veränderung der Größe und Dichte der Poren kann das Modell trockene oder hydratisierte Hauterkrankungen nachahmen.
Testen des Hautphantoms
Mein Team und ich haben unser Hautphantom auf verschiedene Weise getestet, um zu sehen, ob es die menschliche Haut in Experimenten wirklich ersetzen könnte.
Zuerst haben wir eine Methode genannt Impedanzspektroskopie Untersuchung der elektrischen Eigenschaften des Phantoms. Diese Technik wendet abwechselnd elektrische Signale bei unterschiedlichen Frequenzen an und misst den Materialswiderstand gegen den elektrischen Durchfluss, wodurch ein detailliertes Profil seines elektrischen Verhaltens bereitgestellt wird. Die Ergebnisse der Experimente, die wir an fünf Freiwilligen durchgeführt haben eng gespiegelt Das der menschlichen Haut über trockene und hydratisierte Bedingungen mit einem Unterschied von weniger als 20% zwischen realer Haut und Phantom.
Wir haben auch getestet, ob tragbare Geräte Signale vom Hautphantom aufnehmen können und wie sich die Signalqualität mit unterschiedlichen Hauterkrankungen verändert hat. Dazu haben wir aufgezeichnet Elektrokardiogrammsignale auf Phantomen, die zum Nachahmung der trockenen und hydratisierten Haut ausgelegt sind. Die Ergebnisse zeigten klar Unterschiede in der Signalqualität: Das Phantom-simulierende trockene Haut hatte ein niedrigeres Signal-Rausch-Verhältnis, während das hydratisierte Hautphantom eine bessere Signalklarheit zeigte. Diese Ergebnisse stimmen mit überein Frühere Studien Von anderen Forschern.
Zusammen reproduziert unser Hautphantom genau die Art und Weise, wie menschliche Haut auf tragbare Sensoren über eine Reihe von Erkrankungen reagiert, einschließlich trockener und hydratisierter Zustände. Diese Genauigkeit macht es zu einem optimalen Einsatz für echte Haut im Labor.
Tragbare Technologie
Das Hautphantom ist mehr als nur ein Testwerkzeug – es ist ein Schritt nach vorne für die tragbare Gesundheitstechnologie.
Durch die Entfernung der Unvorhersehbarkeit menschlicher Tests können Wissenschaftler schneller und effektiver tragbare Geräte entwerfen und verbessern. Sie können es auch verwenden, um zu untersuchen, wie Haut mit medizinischen Geräten interagiert, wie z. B. Patches, die Medizin oder fortschrittliche diagnostische Werkzeuge liefern.
Unser Hautphantom ist auch einfach und kostengünstig. Jedes Phantom kostet weniger als 3 US -Dollar und kann mit Standardmaterialien und Werkzeugen hergestellt werden. Es kann innerhalb des selben Tages mehrmals ohne wesentliche Änderungen der elektrischen Eigenschaften wiederverwendet werden, obwohl eine verlängerte Verwendung über mehrere Tage möglicherweise Anpassungen wie Rehydration erfordern, um eine stabile Leistung aufrechtzuerhalten. Diese Erschwinglichkeit und Wiederverwendbarkeit macht das Phantom für Labors mit begrenzten Budgets oder Ressourcen zugänglicher.
Da die tragbare Technologie im Gesundheitswesen häufiger wird, können Werkzeuge wie das Hautphantom dazu beitragen, Geräte zuverlässiger, zugänglicher und personalisierter für alle zuversichtlich zu machen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht Das Gespräch von Krittika Goyal am Rochester Institute of Technology. Lesen Sie die Originalartikel hier.
