学术研究报告：用于持续监测脑活动和汗液乳酸含量的耳内集成传感器阵列

第一作者及机构
本研究由美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的Yuchen Xu、Ernesto de la Paz等共同完成，通讯作者包括Sheng Xu、Joseph Wang、Gert Cauwenberghs等。研究成果发表于2023年10月的《Nature Biomedical Engineering》期刊（Volume 7, Pages 1307–1320），DOI号为10.1038/s41551-023-01095-1。

学术背景
研究领域为可穿戴生物传感器与神经工程交叉学科。背景基于两点核心问题：
1. 脑状态监测的局限性：传统脑电图（EEG）需凝胶电极，舒适性差；而干电极在头皮信号质量低，尤其对毛发区域。
2. 代谢物监测的挑战：现有汗液代谢物检测技术（如皮肤贴片或微创采血）难以与脑电信号同步集成，且缺乏空间共定位设计。

研究目标是通过耳道这一接近中枢神经系统的解剖学优势，开发一种集成式传感器，同步监测脑电活动（EEG、EOG、EDA）和汗液乳酸浓度，以探索脑体动态交互机制，应用于神经退行性疾病早期监测或健康管理。

研究流程与方法
1. 传感器设计与制造
- 功能布局：通过耳道汗腺分布实验（n=3），确定电化学电极朝向耳屏（tragus）以捕获高汗液分泌，电生理电极朝向颞叶以减少信号串扰。
- 材料与结构：采用150 μm厚热塑性聚氨酯（TPU）基底，3D蛇形银（Ag）互联导线；电化学工作电极（WE）覆盖普鲁士蓝（PB）和乳酸氧化酶（LOX），参比电极（RE）为可拉伸Ag；电生理电极采用三维弹簧结构增强耳道贴合性。
- 制造工艺：通过丝网印刷-键合-组装流程（图1e），结合3D打印模具成型电极，最后集成至通用硅胶耳塞。

1. 性能验证实验

   • 电生理验证：
     
     • *阻抗测试*：电极-耳阻抗均值386 kΩ@50 Hz（面积12.56 mm²），优于同类干电极（377 kΩ@60 mm²）。
       
     • *Alpha调制实验*（n=4）：闭眼时8–12 Hz频段功率显著升高（调制比RAM=2.44±0.66），与文献一致。
       
     • *听觉稳态响应（ASSR）*：25–70 Hz刺激下信噪比（SNR）达8.98–12.80 dB，验证近听觉皮层的信号优势。
       
   • 电化学验证：
     
     • *体外选择性*：乳酸检测线性范围5–20 mM，抗干扰物（如抗坏血酸、尿酸）能力优异（图3b）。
       
     • *在体实验*（n=5）：运动后汗液乳酸电流增量δi=−0.47±0.10 μA，与血液乳酸仪结果同步（图3g-h）。
       

2. 共传感（Co-sensing）抗干扰

   • 电化学计时电流法（CA）与EEG同步运行时，仅出现瞬态串扰（−2.1 mV至−75.4 mV），通过伪迹剔除算法（Artefact Blanking）维持ASSR SNR>8 dB（图3m-n）。
     

3. 综合脑-代谢关联实验

   • 5名受试者骑行20分钟后：
     
     • *EEG频段变化*：θ（4–8 Hz）、α、β（13–30 Hz）功率均升高，10分钟后恢复基线（图4e）。
       
     • *乳酸动态*：运动后12分钟电流显著下降（汗液乳酸↑），个体差异与出汗速率相关（图4f-g）。
       
     • *分类验证*：基于滤波器组共空间模式（FBCSP）算法，运动后即时脑状态分类准确率达88.02%（vs静息状态）。
       

主要结果与逻辑链条
- 传感器性能：3D电极设计降低阻抗，PVA水凝胶增强汗液收集，二者协同实现高信噪比（图2a-d）。
- 多模态同步性：CA与EEG的时序分离策略（图3k-l）解决了耳道空间限制下的串扰问题。
- 生理关联性：运动后乳酸升高与EEG全频段调制同步（图4），支持代谢-神经耦合假说。

结论与价值
1. 科学价值：首次实现耳道内脑电-代谢物无创同步监测，为脑体交互机制研究提供新工具。
2. 应用价值：可集成至商用耳机，适用于癫痫、阿尔茨海默病等神经疾病的长期监测。
3. 技术突破：
- 通过“功能映射-材料优化-共传感设计”三重创新解决空间冲突。
- 低成本印刷工艺（美元/片）推动规模化应用。

研究亮点
1. 集成创新：首次将电化学（乳酸）与电生理（EEG/EOG/EDA）传感整合于单耳设备。
2. 生理发现：揭示运动后乳酸动态与脑电频段功率的时序相关性（Extended Data Fig. 10）。
3. 临床潜力：补充现有癫痫鉴别诊断中乳酸与EEG的联合分析需求（参考文献13-14）。

其他价值
- 开源代码提供信号处理算法（ASR、FBCSP）的实时实现（Zenodo DOI:10.1038/zenodo.8193117）。
- 为虚拟现实（VR）中的生理反馈设计提供硬件基础。