在美国每年有90万个年龄在0岁到19岁之间的儿童患有与不规则脑灌注有关的神经损伤，其原因包括有基因突变、早产、心脏病、手术干预以及体质的影响。这种脑灌注受损可能会导致脑损伤、持续性神经功能障碍甚至死亡。因此，持续监测大脑血流动力学对保护儿童患者的神经健康发育至关重要，许多儿科和新生儿神经危重症监护病房都使用了有线装置来对大脑血流动力学进行持续监测，然而这些系统与皮肤结合的粘合剂以及病人与接线之间的缠绕有产生医源性皮肤损伤的风险，可能会对儿科患者的护理、发育和康复过程造成不良影响。

为克服现有临床监测设备的不足，近期来自美国西北大学Querrey Simpson生物研究所的Alina Y. Rwei团队在PNAS上发表了题为“A wireless, skin-interfaced biosensor for cerebral hemodynamic monitoring in pediatric care”的文章，介绍了一种柔软、灵活和小型化的无线设备，用于实时连续监测婴幼儿躯体和大脑的血流动力学。

研究人员首先介绍了该装置的设计布局和机械特性，其爆炸示意图如图1A所示，设备采用了微型和机械兼容的设计方式，可通过医用级硅酮胶粘剂温和地放置在儿童前额弯曲的皮肤上，从而实现对脑氧合、脑血管张力、脉搏氧合和心率等大脑生理信号的无线实时监测。设备的总体结构中含有一个包含两个单元的柔性印刷电路板：用于功率调节和无线通信的低功耗蓝牙芯片系统和一个用于连续监测躯体和大脑血流动力学的光学传感器。通过医用级硅胶弹性体封装可得尺寸为33×16×3mm、质量为2.8 g的紧凑设备。数据可通过无线方式从传感器传输到支持蓝牙的设备，如平板电脑或智能手机，来实时显示图形及存储和处理数据。另外模块化的电池可通过嵌入的磁体(图1B)与设备相连接，可以在不破坏设备和皮肤贴合的情况下替换电池，并可将电池单元从设备上拆除来提高设备的弯曲性和顺应性。护理人员可选择容量不同的电池来满足不同操作时间的需求，另外电池的大小和形状也能避免3岁以下儿童窒息的风险。

图1 婴幼儿无线脑血流动力学监测设备的设计和力学特性(A)装置爆炸示意图；(B) 模块化可充电电池;(C)装置皮肤侧的示意图；(D-E)装置弯曲和扭转实验（F）弯曲半径为2.5cm的铜电路中的应变分布;（G）装置主单元与猪皮三点弯曲试验结果;（H-J）9周大的婴儿在日常活动中使用装置的场景。

设备的传感器单元包含一对发光二极管和一组硅光电二极管，发光二极管发出的波长分别为740 nm和850 nm，硅光电二极管距离发光二极管的距离分别为5、10、15和20mm。这种布局能够获得不同深度组织的血流动力学信号，从而来检测躯干和大脑的血流动力学。另外光学传感器贴向皮肤的一侧是一个软封装层，由黑色的硅胶材料制成，其能够作为一个光学屏障，消除对周围环境的光学影响，并减小部分不通过组织的LED光的影响(图1C)。该装置还使用了一层100um厚的透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料来在皮肤、LED和光电探测器之间形成软光学窗口。这种柔软的界面能够自然地附着在颅骨的轮廓上，来改善设备与皮肤的贴合，并为光学测量提供了一个稳定的基础。图1D和图1E中的实验表明该装置是一个可弯曲的平台，图1F中的有限元结果表明，铜制线路在弯曲半径为2.5cm下的最大等效应变低于0.3%（塑性变形极限），能够满足新生儿前额弯曲尺寸的要求。另外图1G中三点弯曲试验结果表明，相比于相同厚度猪皮的弯曲模量（120 ± 20 kPa），该设备的弯曲模量能够达到780±70 kPa。图1 H-J展示了9周大的婴儿在休息、进食和俯卧等日常活动中使用该设备的场景。

接着研究人员介绍了该设备的光学建模过程。其中基于蒙特卡罗分析和儿科患者皮肤,头骨和大脑组织磁共振图像的光学模拟是测量的生理学基础，该方法通过跟踪数百万/数十亿光子在发生散射和吸收时的轨迹，能够在统计上建立光在物体内传播的模型，这种光学模拟能够直接使用根据真实医学图像创建的四面体网格。图2 A-B展示了一个来自足月出生婴儿的磁共振成像数据。通过手动将磁共振成像数据分割成不同的组织区域，可以得到图2 A-B中的标记覆盖层（头皮：珊瑚状、颅骨：浅灰色、脑脊液：蓝色、灰质：深灰色和白质：灰色）。图2 C为通过蒙特卡罗模拟计算出的近红外光(850nm)在大脑中的分布图(红色:光源;绿色:光电探测器)。图2D显示了不同距离的光电探测器在不同组织内测得的相对光路长度。研究人员在光学模拟结果的指导下，选择距离发光二极管为15 mm和20 mm的光电探测器用于检测儿童大脑血流动力学，距离为5 mm和10 mm的光电探测器用于检测外周组织血流动力学。

图2 近红外光在脑组织中的光学分布（A-B）足月出生婴儿的磁共振图像;(C) 蒙特卡罗模拟计算的近红外光(850 nm)在大脑中的光学分布；（D）不同距离的光电探测器在不同组织内测得的相对光路长度

紧接着研究人员描述了该系统的光电特性。如图3A所示，设计的电路能够在低脉宽模式下驱动LED，能对四个光电二极管的信号进行处理和采样，同时也能对原始数据进行滤波和封装，并通过蓝牙协议与外部设备进行无线通信。另外740nm和850nm的发光二极管能够接收来自驱动电路的电能，并受微控制器调制。图3B为用于脑血氧计的图形用户界面，可支持测量数据的实时可视化、存储和分析，并为蓝牙模块提供参数设置的控制界面。数据最后以.txt文件格式存储，以便于集成到标准数据分析包中。

图3 脑血流动力学监测装置的运行特性（A）蓝牙电子模块的原理框图；（B）脑血氧计用户图形界面；（C）脑氧合(ScO2)、躯干氧合(SpO2)、心率和脑血管张力数据提取的流程图

随后研究人员对测量的数据进行了分析和验证。图3C概述了从测量数据中提取脑氧合、脉搏氧合、心率和脑血管张力的步骤。光电探测器1和光电探测器2距离发光二极管分别为5mm和10 mm，其捕获的信号反映了浅层周围组织的血液动力学，可以用来定义动脉血氧合的水平，光电探测器3和光电探测器4距离发光二极管分别为15mm和20mm，其捕获的信号反映了大脑深部组织血流动力学，可以用作确定脑组织的氧合水平。来自光电探测器4的数据可以用来确定脑血管张力。此外所有光电探测器都有助于心率的检测。图4 A展示了健康成年人的脑组织氧合随时间的变化，与医用级近红外光谱分析仪的测量结果相比，采用Bland-Altman方法分析的平均差为0.01±0.9%（图4 B）。图4C展示了健康成年人的动脉血氧饱和度随时间的变化，与医用手指探针测量的结果相比，采用Bland-Altman方法分析的平均差为0.35±0.63%（图4D）。图4E为健康成年人的心率随时间的变化，与医用手指探针测量的结果相比，采用Bland-Altman方法分析的平均差为-0.2±1.51 bpm（图4 F)。图4 G-H展示了健康青少年和青壮年在屏气和深吸气练习时脉搏压随时间的变化。图4G的结果表明屏气期间血管会舒张，脉搏压会相应下降，图4H的结果表明深呼吸时血管会收缩，脉搏压会相应增加。

图4 健康青年的躯体和大脑血流动力学数据 (A) 无线平台和商业近红外光谱仪测量的大脑氧合水平;（B）无线平台和商业近红外光谱仪脑氧合测量结果的分析；（C）无线平台和标准手指探针测量的脉搏氧合水平；（D）无线平台和标准手指探针脉搏氧合测量结果的分析；（E）无线平台和临床手指探针测量的心率水平；（F）无线平台和临床手指探针心率测量结果的分析；（G-H）无线平台测量的血管张力和脉压振幅峰值的变化

最后研究人员将该设备用于儿科临床试点研究。图5为由无线平台获取的的8例患有CCHS的儿童受试者和4例头晕(无其他健康异常)受试者的脑氧合信号数据。这些受试者的年龄在2个月到15岁之间，涵盖了一系列皮肤颜色及其相应的光学吸收特性。通常临床评估自主神经系统生理功能和呼吸控制要完成四个测试:直立倾斜测试、高氧、低氧和低氧高碳酸血症测试。图5A为一名患有CCHS的8岁非裔美国男孩在直立倾斜试验中的脑氧合变化图，无线平台测量的结果由商业近红外光谱仪所证实（图5B）。图5C为一名患有CCHS的4岁白人女孩的高氧测试结果，无线平台测量的结果也由商业近红外光谱仪所证实。另外商业近红外光谱仪也证实了无线平台所得的低氧高碳酸血症测试结果（附录S8）。图5D为一名患有CCHS的13岁西班牙裔女孩的临床低氧测试结果，该结果同样得到了商业系统的验证。图5E为2个月大新生儿脑氧合监测的概念验证演示。图5F表明，无线平台通过Bland–Altman方法分析所得的结果，与商用近红外光谱仪的测量结果相近，其平均差值为-0.06±2.30%，具有较高的准确度。

图5 患有和没有患有CCHS的儿科受试者数据（A）无线平台和医疗近红外光谱仪测量患有CCHS的8岁非裔美国男孩在直立倾斜试验中的脑氧合水平；（B）倾斜阶段和恢复阶段脑氧合的相对变化；（C）无线平台和医疗近红外光谱仪测量患有CCHS的4岁白人女孩在高氧下的脑氧合；（D）无线平台和医疗近红外光谱仪测量患有CCHS的13岁西班牙裔女孩在低氧下的脑氧合；（E）2个月大新生儿脑氧合监测的概念验证演示;(F) Bland-Altman分析结果与医疗近红外光谱仪测量结果的比较

综上所述，该研究介绍的一种柔软的用于持续监测大脑血流动力学的无线设备具备良好的临床可行性，适用于各种年龄的婴儿，不会对皮肤产生不良影响，并在测量脑氧合水平上具有较高的准确性，且每台设备的成本不到25美元。该设备在发达国家和发展中国家中有潜力在各种使用情况下显著提高儿科护理的质量，并推进预防和研究脑病理的临床实践向前发展。