可穿戴设备Wearable devices，具有类皮肤的机械性能，能够实现对人体的连续监测。然而，到目前为止，可穿戴设备设计，主要集中于记录来自皮肤的表面信号，这只能揭示关于健康和疾病的有限信息。深层组织信号，例如电生理、代谢、循环、热和机械信号，通常与疾病具有更强的相关性，并且可以预测症状的发作。
今日，美国 加州大学圣地亚哥分校Sheng Xu团队Muyang Lin一作，在Nature Reviews Materials上发表综述文章，讨论了能够感知深层组织信号的柔性可穿戴设备工程设计。重点介绍了电、电磁、热和机械传感方法，研究了传感机制、器件设计、制造工艺和传感性能，重点关注人体内的穿透深度和时空分辨率。最后，讨论了该领域仍然存在的挑战，并强调了进一步提高渗透深度和特异性、准确性和系统级集成策略。
Soft wearable devices for deep-tissue sensing
图1：可穿戴设备感知的深层组织信号。
图2：电探针。
图3：电磁探头。
图4：热探头。
图5：振动探头。
图6：超声波探头。
表2| 深层组织传感方法的深度和时空分辨率。
该综述讨论了不同物理传感方法，能够实现非侵入性或微创深层组织传感。下一代深层组织传感技术，将需要在穿透深度和特异性、准确性和系统级集成方面进行改进。1、穿透深度和特异性：信号拖尾Signal smearing，通常随着传感深度的增加而增加，这在传感器开发中造成了困境，特别是如果目标是用于诊断和治疗的闭环系统。为此，用于深层组织传感的柔性可穿戴设备，穿透深度对于数据采集至关重要，并且通常需要特异性来指导治疗。2、准确性：在深层组织传感中，信号采集受到保真度下降和信号传播路径中噪声耦合影响。基于机器学习的滤波算法，还可以帮助抑制噪声和伪影，并对信号进行分类以提高感测精度。可穿戴设备采集的连续大量数据，可以为优化机器学习算法的数据池做出贡献，从而进一步提高信号分析的准确性。例如，遗传算法（Genetic Algorithms）和数学优化（MathematicOptimization），已经作为滤波器，减少生物电势信号噪声。3、系统级集成：为深层组织传感开发的大多数传感器，仍处于概念验证阶段，并连接到复杂的支持组件。为了在真实世界环境中，实现深层组织传感，需要无线系统级集成，这不是一项简单的任务。深层组织信号，揭示健康和疾病的重要信息；然而，深层组织传感，才刚刚开始在软性可穿戴设备上进行探索。增强穿透深度、空间分辨率和时间分辨率策略，使可穿戴设备的深层组织传感成为可能，丰富了临床研究人员的工具箱。用于近皮肤表面传感的可穿戴传感器的开发进展迅速，据预计，在深层组织传感方面也会取得类似进展。为此，可穿戴电子设备有待探索，尤其是皮肤以下有足够的空间。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41578-022-00427-yDOI: https://doi.org/10.1038/s41578-022-00427-y