背景介绍
可穿戴传感技术极大地扩展了健康监测和人机界面应用，弥合了传统临床仪器与远程和日常医疗保健迫切需求之间的差距。高性能、可拉伸和保形皮肤界面的最新进展为在高度可穿戴的环境中进行不引人注目的生理和代谢监测提供了机会。这些传感模式中的几种可以集成在一起，以提供更大的功能，其中感兴趣的生物信号可以方便地共同定位。
在许多传感模式中，电生理大脑状态监测和健康相关代谢物监测是两个维度，可能对早期疾病检测、健康监测、身体表现改善和虚拟/增强现实应用具有重大意义。广泛应用于脑机接口的脑状态监测已用于神经调控和康复，而重要代谢产物的监测则提供了对动态变化的健康状况的实时分析。先前的医学研究表明，一些日常认知状态的变化，如压力和情绪，以及神经退行性疾病，如癫痫和阿尔茨海默病，可以触发脑电生理状态监测的特征模式，并在个体中产生异常代谢谱。例如，在监测癫痫发作时，已经发现乳酸盐监测可以补充脑电图（EEG）记录，以区分全身性癫痫发作与心因性非癫痫和同步性癫痫事件。临床证据进一步证实了监测和控制代谢物水平（如乳酸水平）通过增强神经可塑性和血管生成来改善大脑功能的有利作用。这些结果强调了对大脑状态和健康代谢产物进行综合监测的必要性。
使用基于凝胶的电极在头皮上收集的EEG允许在主动大脑状态监测中实现大的空间覆盖和高信噪比，但代价是限制用户的移动性和舒适性。干接触EEG电极提供了大大改善的用户舒适性和减少的设置时间，但主要在头皮上有毛的部位上使用时会损失SNR。尽管皮肤代谢健康监测已被证明使用皮肤穿透工具（小细丝或血液穿刺/采样）、非侵入性技术（如表皮贴片）或光学程序（通过近红外或紫外-可见光或拉曼光谱），它们作为可靠的商业技术在市场上的可用性以皮肤穿透细丝或血液采集方法的形式受到限制，这些方法需要小体积或更大体积的样品来进行代谢物分析。此外，尽管有大量证据支持他们的独立分析研究，但将这两种传感模式集成到一种可穿戴技术中仍然是一个重大挑战。这在一定程度上是由于测量信号中存在的干扰，这些干扰归因于不同传感模式的传感器之间的串扰，以及身体上最佳的电生理和电化学传感（共传感）组合位置的差异，通常需要跨越身体宽区域的广泛形状因子，例如在EEG头戴式耳机或头带中。
耳内电生理传感系统为耳道内不引人注目的大脑状态监测提供了优雅的解决方案。耳朵靠近中枢神经系统、大血管系统和听觉皮层，同时由于耳朵的锚固结构，耳朵在机械上是稳定的。除了可以获得生理参数，如脑电图、脉搏率和氧饱和度外，它还有多个外分泌汗腺，用于分析生命代谢。由于耳朵中的空间极其有限，耳朵之间的解剖结构变化很大，开发一种覆盖广泛的生物物理模式的用户通用耳朵传感器仍然是一个极具挑战性的目标。虽然已经证明了对多种生理参数的耳内传感，但由于传统电化学传感器的形状因素相对较大，将大脑状态和代谢物监测整合在一个不引人注目的系统中仍然是难以捉摸的。
本文亮点
1. 通过利用耳朵的外分泌汗腺，本工作描述了一种耳内集成的电化学和电生理传感器阵列，该阵列放置在用户通用耳机周围的柔性基底上，用于通过脑电图、眼电图和皮肤电活动同时监测乳酸浓度和大脑状态。
2. 在进行急性运动的志愿者中，该设备检测到汗液中乳酸水平升高，同时在所有脑电图频带中调节大脑活动。
3. 代谢生物标志物和大脑电生理学的同时和连续的不引人注目的耳内监测可以允许在现实世界环境中发现大脑和身体生物标志物之间的动态和协同相互作用，用于长期健康监测或神经退行性疾病的检测或监测。
图文解析
图1 入耳式集成传感器的设计
图2 耳内电生理传感能力的表征
图3 耳内电化学乳酸盐传感能力和集成共传感能力的表征
图4 五名参与者在运动前、运动中和运动后的脑电图和乳酸综合感知
