监测人们健康的个性化可穿戴设备正在兴起。从手表到贴片和其他类型的传感器，这些智能设备可以监测心脏活动、炎症水平等，帮助患者在家中更好地管理自己的健康。现在，一种新型的可穿戴设备可以被添加到这个列表中:一种监测呼吸的高科技纸口罩。
加州理工学院的高伟( )医学工程教授和他的同事们开发了一种智能口罩的原型，可用于监测一系列医疗状况，包括呼吸系统疾病，如哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)和covid -19后感染。与其他正在开发的监测温度、湿度或呼吸速率等物理变化的智能口罩不同，这款名为EBCare的口罩可以实时分析呼吸中的化学物质。(“EBC”是该领域的缩写，意思是“呼出的气体”)例如，这种口罩可以监测哮喘患者的亚硝酸盐水平，亚硝酸盐是一种表明气道炎症的化学物质。
“监测病人的呼吸是一件常规的事情，例如，评估哮喘和其他呼吸系统疾病。然而，这需要病人去诊所采集样本，然后等待一段时间的实验室结果，”高说，他是一项新研究的首席研究员，该研究在《科学》杂志上描述了这种口罩。“自2019冠状病毒病以来，人们戴口罩的次数更多了。我们可以利用这种增加的口罩使用进行远程个性化监测，以获得关于我们自己在家或办公室健康状况的实时反馈。例如，我们可以利用这些信息来评估一种医疗方法的效果。”
高还是传统医学研究所的研究员，也是罗纳德和乔安妮·威伦斯学者，他已经开发了一系列可穿戴生物传感器，可以分析人体汗液，测量代谢物、营养物质、激素和蛋白质水平。在这种情况下，高的目标是监测呼吸，这带来了一系列新的挑战。
为了有选择地分析某人呼吸中的化学物质或分子，首先需要将其冷却并浓缩成液体。在临床环境中，这一冷却步骤与分析分开进行。湿呼气样本在冰桶或笨重的冷藏冷却器上冷藏。相比之下，高的新口罩是自冷的。呼吸通过一个被动冷却系统冷却，该系统将水凝胶蒸发冷却与辐射冷却相结合，有效地冷却面罩上的呼吸。
该研究的主要作者、加州理工学院的研究生Wenzheng Heng说:“这种口罩代表了呼吸和代谢疾病管理和精准医学的新范例，因为我们可以很容易地获得呼吸样本，并通过日常口罩实时分析呼吸中的化学分子。”呼气冷凝水中含有可溶性气体以及以气溶胶或液滴形式存在的非挥发性物质，如代谢物质、炎症指标和病原体。
一旦呼吸被转化为液体，一系列的毛细血管，属于一类被称为生物微流体的设备，立即将液体输送到传感器进行分析。“我们从植物那里学到了如何输送水分，”高说。植物利用毛细力把水从地下吸上来。
然后，分析结果通过无线传输到个人手机、平板电脑或电脑上。高说:“这种智能口罩的制作成本相对较低。”“它的材料设计成本仅为1美元左右。”
为了测试口罩，研究小组进行了一系列人体研究，主要集中在哮喘或慢性阻塞性肺病患者身上。他们专门监测了患者呼吸中的亚硝酸盐，这是两种情况下炎症的生物标志物。结果表明，口罩准确地检测到生物标志物，指示患者气道的炎症。
在另一项研究中，研究小组证明，这种口罩可以准确地检测出人类受试者的血液酒精含量，这表明这种口罩可以用于现场酒后驾车检查或其他形式的酒精消耗监测。
他们还研究了如何使用口罩来评估血液尿素水平，以监测和管理肾脏疾病。随着肾功能下降，蛋白质代谢的副产品如尿素在血液中积累。与此同时，唾液中的尿素增加，分解成氨气，这导致呼吸冷凝水中的铵含量更高。这项新的研究表明，智能口罩可以准确地检测到这些铵的水平，密切反映血液中的尿素水平。
“这些最初的研究是一个概念的证明，”高说。“我们希望将这项技术扩展到与各种健康状况相关的不同标记。这是创造一个多功能通用健康监测平台的口罩的基础。”
至于口罩的舒适度，参与者报告了良好的体验，即使是那些有呼吸问题的人。
“EBC采集和分析的智能口罩平台代表了实时监测肺部健康潜力的重大进步，”加州大学洛杉矶分校港口生物医学创新伦德奎斯特研究所研究员、加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院医学教授Harry Rossiter说。“未来可能会添加用于多种化合物的生物传感器，这一概念凸显了智能口罩在健康监测和诊断方面改变游戏规则的潜力。”
这项名为“用于收集和分析呼出冷凝水的智能口罩”的研究由美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、烟草相关疾病研究计划和美国陆军医学研究采购活动资助。加州理工学院的其他作者包括研究生尹书坤(Kevin)、王灿然、韩红和李佳红，以及博士后闵继红，此外还有加州理工学院前博士后Ehsan Shirzaei Sani和宋宇。
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