In un recente studio pubblicato in Materiale di comunicazione, gli scienziati hanno esaminato la ricerca attuale sull'utilizzo di sensori respiratori indossabili per monitorare parametri respiratori come temperatura, flusso d'aria e umidità e per rilevare vari biomarcatori respiratori.

Hanno anche esaminato l’uso di questi sensori per rilevare malattie e osservare i modelli di respirazione.

Studio: Recenti sviluppi nei sensori del respiro indossabili per il monitoraggio sanitario. Credito immagine: metamorworks/Shutterstock.com

sfondo

Le diagnosi cliniche hanno spesso utilizzato l’analisi del respiro per fare inferenze sulla salute sistemica.

L'analisi del respiro fornisce un metodo non invasivo per rilevare e analizzare le varie firme chimiche nel respiro espirato, inclusa la presenza di molecole organiche semivolatili e volatili, lipidi, proteine, virus, batteri e acido desossiribonucleico (DNA), che sono indicatori degli stati patologici e fisiologici.

I rapidi progressi nella tecnologia medica, nelle nanotecnologie e nella scienza dei materiali hanno portato a una gamma più ampia di dispositivi indossabili che contengono sensori intelligenti per monitorare i parametri fisiologici.

Con l'aggiunta di algoritmi di apprendimento automatico, questi dispositivi hanno un'ampia gamma di funzionalità di monitoraggio. Lo sviluppo di sensori del respiro indossabili, come piccoli cerotti e sensori all’interno delle maschere, consente di raccogliere e analizzare continuamente i dati sul respiro in tempo reale.

In questa recensione, i ricercatori hanno discusso i metodi tradizionali di analisi del respiro e i recenti sviluppi nei dispositivi indossabili per l’analisi del respiro che possono essere utilizzati per eseguire il monitoraggio in tempo reale della salute sistemica.

Metodi di analisi del respiro

La revisione ha valutato i vari metodi di cattura o campionamento del respiro che rientravano nelle ampie categorie di respiro esalato direttamente nell'apparecchiatura o dispositivo o raccolto utilizzando un sacchetto di polimero o altri tipi di contenitori.

Alcuni di questi dispositivi sono incorporati nelle maschere facciali, fornendo un metodo portatile per raccogliere campioni di condensato del respiro espirato e di aerosol del respiro espirato.

Con l’improvviso aumento delle mascherine facciali dovuto alla pandemia del coronavirus 2019 (COVID-19), le membrane flessibili per la raccolta dell’alito come quelle realizzate utilizzando policarbonato poroso vengono ampiamente esplorate per sviluppare dispositivi indossabili per la raccolta dell’alito.

I ricercatori hanno discusso vari metodi, come la microestrazione in fase solida, i tubi di desorbimento termico e i metodi con trappola ad ago, utilizzati per sviluppare dispositivi indossabili per il campionamento del respiro.

La revisione ha inoltre discusso i metodi convenzionali di analisi del respiro come la spettrometria di massa con tubo a flusso di ioni selezionati, la gascromatografia accoppiata alla spettrometria di massa e la spettrometria di massa con reazione a trasferimento di protoni. Studi recenti hanno anche esplorato metodi come quelli che utilizzano la spettroscopia di assorbimento ottico e lo scattering Raman potenziato dalla superficie, che si sono rivelati efficaci nel rilevamento di biomarcatori nei campioni di respiro.

I metodi elettrochimici che utilizzano materiali come i nanotubi di carbonio forniscono metodi alternativi per analizzare gas e composti organici volatili.

Rilevamento di biomarcatori

Sebbene le tecniche convenzionali di analisi del respiro forniscano un metodo di analisi quantitativa dei biomarcatori con elevata specificità e sensibilità, gli strumenti ingombranti e i costi elevati ne ostacolano l’accessibilità e ne limitano l’ambito di applicazione.

I dispositivi sensoriali del respiro indossabili con metodi integrati per rilevare i biomarcatori consentono il monitoraggio in tempo reale con facilità e comodità.

Questi dispositivi possono analizzare vari biomarcatori come ossigeno, ammoniaca, anidride carbonica, perossido di idrogeno e numerosi agenti patogeni. Cambiamenti drastici nei livelli di ossigeno possono aiutare a identificare l’iperossia o l’ipossia, entrambi indicatori di cattiva salute.

Allo stesso modo, l’ipercapnia e l’ipocapnia – rispettivamente un eccesso o un deficit di anidride carbonica nel respiro – sono indicatori di acidosi o alcalosi respiratoria, entrambe le quali possono regredire in gravi condizioni di salute e arresto respiratorio.

Un aumento dei livelli di ammoniaca nel respiro è un indicatore di malattie renali ed epatiche o di disturbi legati al ciclo dell'urea. Il perossido di idrogeno nel respiro espirato spesso indica stress ossidativo e infiammazione delle vie aeree.

La revisione ha inoltre rilevato che la ricerca recente si è concentrata sullo sviluppo di maschere respiratorie con sensori del respiro per rilevare virus respiratori come la sindrome respiratoria acuta grave coronavirus 2 (SARS-CoV-2).

Monitoraggio dei parametri respiratori

Oltre ai biomarcatori, i sensori del respiro indossabili possono anche fornire un monitoraggio continuo in tempo reale di parametri sanitari come la temperatura, il flusso d’aria e il contenuto di umidità del respiro espirato, che sono tutti indicatori vitali della salute generale.

I sensori indossabili per il monitoraggio del flusso d'aria e dell'umidità si basano sul flusso d'aria resistivo o capacitivo. I sensori del flusso d'aria possono anche essere autoalimentati utilizzando l'effetto triboelettrico o piezoelettrico. I sensori di temperatura utilizzano termistori con nanoparticelle di ossido di nichel o sensori calorimetrici o piroelettrici.

Conclusioni

Per riassumere, la revisione ha esaminato la ricerca esistente e attuale sui dispositivi indossabili per l'analisi dell'espirato e ha discusso in modo esauriente un'ampia gamma di applicazioni di questi dispositivi, compreso il campionamento e l'analisi continua e in tempo reale di biomarcatori e parametri respiratori che sono indicatori di malattie e malessere. salute.

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• Fonte: https://www.news-medical.net/news/20240326/Emerging-trends-in-wearable-breath-sensors-aim-at-personalized-healthcare-solutions.aspx