在最近發表的一項研究中 通訊材料科學家回顧了目前使用穿戴式呼吸感測器監測溫度、氣流和濕度等呼吸參數並檢測各種呼吸生物標記的研究。
他們也研究了這些感測器在檢測疾病和觀察呼吸模式方面的用途。
研究： 用於醫療保健監測的可穿戴呼吸感測器的最新發展。 圖片來源：metamorworks／Shutterstock.com
背景
臨床診斷經常使用呼吸分析來推斷全身健康狀況。
呼吸分析提供了一種非侵入性方法來檢測和分析呼氣中的各種化學特徵，包括半揮發性和揮發性有機分子、脂質、蛋白質、病毒、細菌和脫氧核糖核酸(DNA) 的存在，這些都是指標的病理和生理狀態。
醫療技術、奈米技術和材料科學的快速發展催生了更廣泛的可穿戴設備，這些設備包含用於監測生理參數的智慧感測器。
透過添加機器學習演算法，這些設備具有廣泛的監控功能。穿戴式呼吸感測器（例如小貼片和麵罩內的感測器）的發展允許即時連續收集和分析呼吸數據。
在這篇綜述中，研究人員討論了傳統的呼吸分析方法以及可用於即時監測全身健康狀況的可穿戴呼吸分析設備的最新發展。
呼吸分析方法
該審查評估了各種呼吸捕獲或採樣方法，這些方法屬於直接呼入設備或裝置或使用聚合物袋或其他類型容器收集的呼吸的大類。
其中一些設備被整合到面罩中，提供了一種收集呼出氣體冷凝物和呼出氣體氣溶膠樣本的便攜式方法。
由於 2019 年冠狀病毒病 (COVID-19) 大流行導致口罩數量突然增加，人們正在廣泛探索柔性呼吸收集膜（例如使用多孔聚碳酸酯製成的膜），以開發可穿戴呼吸收集設備。
研究人員討論了用於開發可穿戴呼吸採樣裝置的各種方法，例如固相微萃取、熱解吸管和針捕方法。
這篇綜述也討論了傳統的呼吸分析方法，例如選擇離子流管質譜法、氣相層析法與質譜法以及質子轉移反應質譜法。最近的研究還探索了使用光學吸收光譜和表面增強拉曼散射等方法，這些方法已被證明在呼吸樣本中的生物標記檢測中有效。
使用碳奈米管等材料的電化學方法提供了分析氣體和揮發性有機化合物的替代方法。
生物標誌物檢測
雖然傳統呼吸分析技術提供了一種具有高特異性和靈敏度的生物標記定量分析方法，但笨重的儀器和高昂的成本阻礙了其可及性並限制了其應用範圍。
穿戴式呼吸感測設備具有檢測生物標記的整合方法，可輕鬆舒適地進行即時監測。
這些設備可以分析各種生物標記物，例如氧氣、氨、二氧化碳、過氧化氫和多種病原體。氧氣水平的劇烈變化可以幫助識別高氧或缺氧——這兩者都是健康狀況不佳的指標。
同樣，高碳酸血症和低碳酸血症（分別是呼吸中二氧化碳過多或不足）是呼吸性酸中毒或鹼中毒的指標，這兩種情況都可能導致嚴重的健康狀況和呼吸停止。
呼吸中氨含量的增加是腎臟和肝臟疾病或與尿素循環相關的疾病的指標。呼出氣中的過氧化氫通常表示氣道存在氧化壓力和發炎。
審查還發現，最近的研究重點是開發帶有呼吸感測器的呼吸面罩，以檢測呼吸道病毒，例如嚴重急性呼吸症候群冠狀病毒 2 (SARS-CoV-2)。
監測呼吸參數
除了生物標記之外，穿戴式呼吸感測器還可以連續即時監測健康參數，例如溫度、氣流和呼出氣體的水分含量，這些都是整體健康的重要指標。
氣流和濕度監測穿戴式感測器基於電阻式或電容式氣流。氣流感測器還可利用摩擦起電或壓電效應自供電。溫度感測器採用具有氧化鎳奈米顆粒的熱敏電阻，或量熱感測器或熱釋電感測器。
結論
總而言之，該綜述審查了可穿戴呼吸分析設備的現有和當前研究，並全面討論了這些設備的廣泛應用，包括對作為疾病和不適指標的生物標誌物和呼吸參數進行即時和連續採樣和分析健康。
