ストレッチャブルな電子機器によるウェアラブルヘルスモニター

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2019/7/30 アメリカ合衆国 ジョージア工科大学 (Georgia Tech)

 (Soft Wearable Health Monitor Uses Stretchable Electronics)

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・ Georgia Tech が、ストレッチャブルな電子機器を搭載したワイヤレスなウェアラブルヘルスモニターを開発。従来品より装着が快適で長期のモニタリング使用に適しており、子供から大人まで、皮膚損傷や接着剤センサーによるアレルギー反応を心配することなく使用できる。

・ 柔らかくて着心地の良いヘルスモニターは、心電図(ECG)、心拍数、呼吸数や運動活動データを、スマートフォンやタブレットコンピューターなどの携帯記録装置に 15m 程度の範囲内で送信可能。導体は伸縮性のある基板に搭載され、医療用フィルムが埋め込まれたストレッチャブルなプリンテッド・コネクタを介して、皮膚に似た金属製の電極につながっている。

・ このヘルスモニターは、激しく動く幼児に最も適しており、柔らかくで着心地良いデバイスが人の動きに追従して皮膚に密着。また、従来のモニターでは皮膚損傷してしまう敏感肌の患者にも最適。モニターは、人体と動物の両方で試験済み。

・ デバイスが皮膚に適合するので、皮膚を横断する金属ゲル電極の動きが引き起こす信号の問題を回避できる。デバイスは、歩いたり走ったり、階段を上ったりしている人からも正確な信号を受信できる。

・ ワイヤレスなウェアラブルヘルスモニターを使用した継続的な医療評価は、子供のアセスメントを改善し、医療従事者が傾向を迅速に把握して、症状が発生する前に医療介入できる。子供の息遣いまで観測できるので、深刻な病状悪化が発生する前に検出し、早期に医療介入できる。また、自宅では、見た目では通常わからないような変化も検出可能。ワイヤレスなので、子供の装着時の違和感を軽減できる。

・ モニターには、電子処理装置を組み込んだフィルムに埋め込まれた 3 個の金属電極を使用。全体の大きさは、直径わずか 3inch(約 7.62cm)であり、進化したバージョンでは、その半分のサイズとなる予定。使用する電力は、現在小型の充電式電池から得ているが、将来的には外部の無線充電システムに置き換える予定。

・ 敏感肌の高齢者の患者にも最適で、例えば 2 週間の連続装着なども可能。また、メンブレンが防水使用なので、装着したままシャワーを浴びることもできる。使用後の電気部品はリサイクル可能。

・ モニターは、病院や医療施設で短期使用の医療用テープベースのものと、創傷ケアに認定された柔らかい医療用エラストマーフィルムを使用しているものと、二種類開発。後者は、より長期間皮膚に装着できる。

・ デバイスは完全に乾燥していて、皮膚からの信号受信にゲルは必要なく、皮膚と極薄のセンサー間には何もないので、着心地が良い。

・ 長期装着が可能なため、ECG データも長期に渡り観測でき、潜在的な心臓疾患の把握に役立つ。信号のモニタリングには深層学習を使用、より多くの患者データと比較できる。異常が検出された場合には、信号をスマートフォンや他のデバイスにワイヤレスで送信できる。

・ モニターの電気回路はメッシュ状の銅のパターンで、柔軟性があり、柔らかい基板の極薄フィルムを使用。チップのみがフレキシブルでないが、従来のプラスチック回路基板とは異なる、伸縮性のある柔らかい基板上に搭載されている。

・ 今後は、デバイスサイズの縮小を目指し、体温、血中酸素、血圧など、健康関連のパラメーターを観測する機能を増やす予定。従来のヘルスモニターと比較した機能評価のための臨床試験が主なマイルストーンとなる。今後も、科学技術の進歩を患者ケアの現場で生かすために、研究を継続する予定。

・ 本研究は、Children’s Healthcare of Atlanta の Imlay Innovation Fund や NextFlex (Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Institute) か ら 支援を受けた。また、Georgia Tech の Institute for Electronics and Nanotechnology よりシード研究助成金を得た。

URL: https://www.news.gatech.edu/2019/07/30/soft-wearable-health-monitor-uses-stretchableelectronics

(関連情報)

Advanced Science 掲載論文(フルテキスト)

All‐in‐One, Wireless, Stretchable Hybrid Electronics for Smart, Connected, and Ambulatory Physiological Monitoring

URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900939

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Commercially available health monitors rely on rigid electronic housing coupled with aggressive adhesives and conductive gels, causing discomfort and inducing skin damage. Also, research‐level skin‐wearable devices, while excelling in some aspects, fall short as concept‐only presentations due to the fundamental challenges of active wireless communication and integration as a single device platform. Here, an all‐in‐one, wireless, stretchable hybrid electronics with key capabilities for real‐time physiological monitoring, automatic detection of signal abnormality via deep‐learning, and a long‐range wireless connectivity (up to 15 m) is introduced. The strategic integration of thin‐film electronic layers with hyperelastic elastomers allows the overall device to adhere and deform naturally with the human body while maintaining the functionalities of the on‐board electronics. The stretchable electrodes with optimized structures for intimate skin contact are capable of generating clinical‐grade electrocardiograms and accurate analysis of heart and respiratory rates while the motion sensor assesses physical activities. Implementation of convolutional neural networks for real‐time physiological classifications demonstrates the feasibility of multifaceted analysis with a high clinical relevance. Finally, in vivo demonstrations with animals and human subjects in various scenarios reveal the versatility of the device as both a health monitor and a viable research tool.

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