新生儿可穿戴监测及光疗设备改善婴儿的黄疸治疗
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由于生理性高胆红素血症，新生儿黄疸在生命的第一周内80％的新生儿中发生。严重的高胆红素血症由于其神经毒性而可能导致脑部损伤，这种状态通常被称为kernicterus。因此，定期监测胆红素对于识别高危婴儿并开始包括光疗在内的治疗至关重要。然而，尚未开发出用于连续测量胆红素的装置。在这里，建立了一种可穿戴的经皮胆红素计，它也具有氧饱和度（SpO2）和心率（HR）感应功能。新生儿的临床实验证明了同时检测胆红素，SpO2的可能性和HR。此外，设备可以在光疗期间持续测量胆红素。这些结果表明，通过可穿戴式胆红素计和光疗设备开发一种具有自动链接的组合治疗方法的潜力，可以优化新生儿黄疸的治疗。
该设备（未在这张照片中看到）可以最大程度地减少黄疸婴儿接受光疗所需的时间
据日本横滨国立大学称，黄疸发生在所有新生婴儿中的60％至80％，如果不加以检查会导致脑损伤甚至死亡。这就是为什么他们开发了一种新的可穿戴设备以帮助其治疗的原因。
黄疸是由称为胆红素的化合物的血流水平升高引起的，其导致皮肤变黄。治疗通常包括将婴儿暴露在蓝光下，这会分解胆红素，使其可以与尿液一起通过。就是说，这个过程远离了婴儿可能与其母亲建立联系的时间，而且还可能导致脱水和过敏症的发展。
当前，儿科医生通过手持式工具定期评估黄疸婴儿的胆红素水平，该手持式工具足够称为胆红素计。由Assoc领导。横滨科学家团队的HirokiOta教授着手开发一种可以连续执行相同任务的设备。
1、装置设计
该装置的电路是通过光刻法在由聚酰亚胺制成的柔性基板上制造的。小型电子元件，包括MCU（Atmegap，MicrochipTechnology），BLE（RN，MicrochipTechnology），低压降稳压器（LDO；TPS7A47，TexasInstruments），ADC（ADS，TexasInstruments），放大器（NJMRB-TE1，新JapanRadio），蓝色LED（KPTD-QBC-D，Kingbright），绿色LED（KPTD-CGCK，Kingbright），红色LED（KPTD-SEC/J3，Kingbright），IRLED（SFH，OSRAM），PD（VBPW34S，（Vishay），电阻器和电容器安装在基板上。通过PDMS（SYLGARD有机硅弹性体，康宁公司）在LED上形成用于改善LED的光强度的柔性透镜。LED上的PDMS可以将光有效地传递到皮肤。通过将其倒入3D打印的模具中以使其与新生儿的前额接触的区域是由PDMS和Ecoflex的黑色混合物（Ecoflex00-30，Smooth-On）制成的，以（i）增加该设备和新生儿的前额；（ii）防止光直接照射PD，而不会发生反射。整个设备包装有使用3D打印机（Agilista，Keyence）制造的3D打印硅橡胶。
新生儿的头围范围约为30到38厘米，半径约为48到61mm。根据这些信息，将设备封装的曲率设计为55mm。使用3D打印的包装以及黑色PDMS和Ecoflex混合物形成的界面的可变形性可以覆盖新生儿之间的差异。3D打印包装的柔软性类似于PDMS，PDMS是一种具有足够柔韧性的柔软材料，可用于柔性设备。此外，PDMS和Ecoflex的黑色混合物可以覆盖半径在47.5至62.5毫米范围内的头部。这样可以防止LED的光直接在皮肤和设备之间的空间反射到皮肤上或直接入射到PD中。
设备中使用的所有材料，包括PDMS，Ecoflex和3D打印的硅橡胶，都是具有高生物相容性的广泛使用的商业材料。此外，黑色墨水（SilcPig，Smooth-On）已根据年职业安全与健康管理局（OHOC）危害通报标准29联邦法规.的标准批准使用，并且不含有害物质。
穿戴式胆红素计的概念示意图
（A）新生儿黄疸是由胆红素引起的，胆红素是由红细胞中的血红蛋白分解产生的。（B）将独立的胆红素计放置在新生儿的前额上。该设备包装在柔软的硅橡胶中。新生儿的胆红素水平是根据蓝光和绿光的吸光度之比来测量的。SpO2和HR使用标准脉搏血氧仪进行测量。数据通过蓝牙连接传输到智能手机或PC。
实际的可穿戴式胆红素计的结构。
（A）所有电子组件均安装在柔性基板上。纽扣电池用作电池。LED和PD被黑色的PDMS和Ecoflex混合物包围。柔性PDMS透镜形成在LED上。包装由三维（3D）打印的柔性硅树脂制成。IC，集成电路。（B）实际设备，与新生儿前额接触的感应部件以及执行控制和处理任务的电路的照片。图片来源：横滨国立大学稻森刚（GoInamori）。（C）感测机构和装置的接触的截面示意图。（D）该装置在新生儿上的照片。
2、测量系统
MCU控制LED发射的时序。蓝色和绿色的光很难穿透皮肤。另外，PD对蓝光和绿光的敏感性低。因此，该设备无法仅使用一个PD来正确测量胆红素水平。因此，通过四个PD测量了穿过新生儿皮肤的反射光量。此外，与单个PD相比，四个PD可以更有效地捕获所有方向的反射光。信号被放大器放大。信号中的噪声已通过低通滤波器消除。在用于胆红素测量的蓝灯和绿灯方面，与红色和红外灯相比，信号非常微弱。因此，蓝色和绿色LED信号被可编程增益放大器再次放大。ADC将放大后的信号转换为数字信号。数据被转换为数字形式，并通过串行外围接口通信链路发送到MCU。MCU将信号发送到BLE模块，该信号已通过蓝牙传输到智能手机。数据记录在智能手机中并进行计算。MCU将信号发送到BLE模块，该信号已通过蓝牙传输到智能手机。数据记录在智能手机中并进行计算。MCU将信号发送到BLE模块，该信号已通过蓝牙传输到智能手机。数据记录在智能手机中并进行计算。
在实验中，原始数据被传输到智能手机或PC并记录在智能手机或PC上。有关计算的理论背景在补充材料中进行了说明。通过将原始数据与使用商业胆红素计获得的结果进行比较，可以确定理论常数的值。计算每个设备的值。根据这些值，可以实时计算数据。最终，胆红素含量，HR和SpO2可以在PC上实时显示。
该设备的系统图
（A）该设备的框图。LED由MCU控制。信号由放大器放大，并由ADC转换为数字形式。数据被传输到智能手机。低压降（LDO）稳定了纽扣电池的电压。（B）绿色，蓝色，红色和IRLED发光4毫秒。发射的切换由MCU控制。PD检测信号并进行分析以测量SpO2，HR和胆红素。
3、选择额头作为测量部位，因为它具有多个优点
首先，将设备固定在额头上很方便，因为新生儿不需要脱衣服。其次，额头是最稳定的部位之一。通常，选择手和脚来测量新生儿的SpO2，但是这些通常会受到其身体运动的影响。由于新生儿无法翻身或剧烈摇头，因此前额是连续监测HR和SpO2的理想场所。第三，由于额头上皮动脉存在于前额的皮肤和颅骨之间，因此根据额头的记录可以很容易地实现通过血管的生命体征的光学传感。黄疸，HR和SpO的检测2将一个装置放在新生儿的额头上可以减轻医护人员和新生儿的负担。血氧饱和度2个测量在前额更响应于比手工测量的变化。这对于早期发现新生儿呼吸暂停和其他危急状况可能有用。
通过使用OLED和OPD，可以有效地减少3D打印的有机硅封装以及黑色PDMS和Ecoflex混合物的体积（重量占设备总重量的一半）。类似地，使用柔性电池将减轻电池和包装的重量，并且不需要电池座。另外，用于皮肤-设备接口的材料需要进行长期使用，特别是考虑到新生儿皮肤薄弱而脆弱。此外，我们需要使用更柔软，更温和的材料，以适合新生儿的娇嫩皮肤。
当前的原型，应尽快精简并使其更加灵活
最终的电池供电原型通过柔性硅胶界面轻轻贴在婴儿的额头上，然后利用集成的摄像头和LED拍摄他们的皮肤。图像以无线方式传输到配对的智能手机，在该智能手机中，应用程序会分析照片中的肤色，以实时确定胆红素水平。
另外，该设备还集成了脉搏血氧仪，用于测量婴儿的脉搏率和血氧饱和度。
到目前为止，样机已经测试了50名婴儿，并发现没有对临床诊断不够准确-在其目前的形式，至少。但是，随着随后的改进，这种情况可能会发生变化，但是其中之一可能涉及调整硅酮界面以更好地与皮肤接触。
大田说：“黄疸的实时监测对于新生儿护理至关重要。”“持续测量胆红素水平可能有助于改善光疗质量和患者预后。”
有关该研究的论文已发表在《ScienceAdvances》杂志上。
结论：
为新生儿开发了一种可穿戴设备，该设备可以使用LED来测量胆红素水平和生命体征。在该设备中，由PDMS制成的柔性透镜组装在LED和PD上，以实现传感部分与皮肤之间的出色接触，从而使光的传输更加有效。该装置具有以低成本方便地实现连续胆红素浓度监测的潜力。
该设备可以很容易地与光疗设备连接，从而实现治疗策略的优化和半自动化治疗的实施。这种联合疗法可能会导致过度光疗的副作用得到预防，并且由于治疗不充分而导致kerkerterus或BIND的减少。另外，它还可以减轻新生儿和医务人员的负担。
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