ثبت فعالیت‌های مغزی و ورزشی با هدفون‌های مجهز به زیست‌حسگر

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، حسگرها می توانند با هدفون ها ارتباط برقرار کنند و سپس به صورت بی‌سیم داده‌های جمع‌آوری شده را برای تجسم و تجزیه و تحلیل بیشتر، چه بر روی گوشی هوشمند یا یک لپ‌تاپ، منتقل کنند.

داده‌های به دست آمده را می‌توان برای پایش طولانی‌مدت سلامتی و تشخیص بیماری‌های طولانی مدت زوال عصبی استفاده کرد.

این حسگرها که توسط یک گروه پژوهشی چند رشته‌ای از مهندسان دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو ساخته شده‌اند، نسبت به دستگاه‌های پیشرفته‌ای که در حال حاضر برای مشاهده فعالیت الکتریکی مغز و ترشحات عرق بدن استفاده می‌شوند، زحمت و دردسر کمتری دارند. محققان نشان دادند که می‌توان از آن‌ها در دنیای واقعی در حین ورزش استفاده کرد.

در حالی که سنجش درون گوش چندین پارامتر فیزیولوژیکی، جدید نیست اما ادغام رصد سیگنال های مغز و بدن در یک پلتفرم واحد است. این پیشرفت با تخصص ترکیبی مهندسین زیست پزشکی، شیمیایی، برق و نانو امکان پذیر شده است.

داده‌های الکتروانسفالوگرام (EEG) که فعالیت الکتریکی مغز را اندازه‌گیری می‌کند و لاکتات (اسید آلی تولیدی بدن در طول ورزش و فعالیت متابولیک طبیعی)، می‌تواند برای اهداف مختلف ترکیب شود. برای مثال می‌توان از آن‌ها برای تشخیص انواع تشنج از جمله تشنج صرعی استفاده کرد. آن‌ها همچنین می‌توانند برای نظارت بر تلاش در حین تمرین بدنی و نظارت بر سطوح استرس و تمرکز استفاده شوند.

محققان داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول این مطالعه اثبات مفهوم را با داده‌های به‌دست‌آمده از هدست‌های EEG تماس خشک و نمونه‌های خون حاوی لاکتات تأیید کردند. داده هایی که حسگرهای انعطاف‌پذیر جمع‌آوری کردند به همان اندازه مؤثر بودند.

محققان آینده‌ای را به تصویر می‌کشند که در آن سیستم‌های تصویربرداری عصبی و نظارت بر سلامت با حسگرهای پوشیدنی و دستگاه‌های تلفن همراه مانند تلفن، هدفون، ساعت و موارد دیگر برای ردیابی فعالیت مغز و سطوح بسیاری از متابولیت‌های مرتبط با سلامتی در طول روز کار می‌کنند.

این نوآوری‌ها به کاربران امکان می‌دهد توانایی های مغز و بدن شان را افزایش دهند.

این گروه همچنین آینده‌ای را پیش‌بینی می‌کند که در آن قابلیت‌های دستگاه‌های صوتی پوشیدنی موجود، مانند هدفون‌ها، می‌تواند به میزان قابل توجهی گسترش یابد تا طیف وسیع‌تری از داده‌ها را جمع‌آوری کند.

«گرت کاونبرگ» « Gert Cauwenberghs» استاد زیست‌پزشکی این تحقیقات می‌گوید: توانایی اندازه‌گیری پویایی فعالیت‌های شناختی مغز و وضعیت متابولیک بدن در یک دستگاه یکپارچه داخل گوش که به راحتی و تحرک کاربر تجاوز نمی‌کند، فرصت‌های چشمگیری را برای ارتقای سلامت و تندرستی افراد در تمام سنین فراهم می‌آورد.

محققان بر این باورند هدفون‌ها دستگاه های رایجی و همه‌گیری هستند و قابلیت جمع‌آوری سیگنال‌های مغز و بدن را برای حفظ سلامت بدن دارند.

«پاتریک مرسیه» « Patrick Mercie» استاد مهندسی برق و کامپیوتردر این مطالعه می‌گوید: ایرپادها برای دهه‌ها وجود داشته‌اند و از بسیاری جهات یکی از اولین دستگاه‌های پوشیدنی در بازار بودند. این تحقیق اولین قدم‌های مهمی را برداشته است تا نشان دهد داده‌های تاثیرگذار را می‌توان از بدن انسان به سادگی با افزایش قابلیت‌های هدفون‌هایی که مردم در حال حاضر به صورت روزانه استفاده می‌کنند، اندازه‌گیری کرد.

از آنجایی که هیچ اصطکاک عمده ای برای استفاده از این فناوری وجود ندارد، ما در نهایت پذیرش در مقیاس گسترده را پیش بینی می کنیم.

«یوچن ژو» « Yuchen Xu »، نویسنده اول مقاله می گوید: گوش دارای غدد عرق است و به مغز نزدیک است. این یک نقطه ورود طبیعی است و از سویی مردم به استفاده از هدفون عادت دارند.

ساخت چنین حسگری به تخصص چند رشته ای نیاز دارد. در این پروژه حسگرهای شیمیایی بسیار منعطف با کارایی بالا، کم مصرف و مجهز به سیستم ارتباطی بی‌سیم ساخته شدند.

پژوهشگران برای این حسگر یکپارچگی و کوچکی تا حد امکان را در دستور کار قرار دادند. این حسگرها به گونه ای ساخته شده اند که نه تنها قادر به جمع آوری نمونه های کوچک عرق است بلکه قابلیت خم شوندگی نیز دارد تا در شکل نامنظم گوش به راحتی قرار گیرند.

یوچن ژو می‌گوید: چالش فنی اولیه نه تنها نصب دو حسگر در گوش (فضای کوچکی که از فردی به فرد دیگر متفاوت است) بلکه دریافت سیگنال‌های قابل اطمینان از EEG و لاکتات نیز بود. ما همچنین مجبور بودیم برای هدفون ها و کاهش تداخل در نظر بگیریم. این زمانی بود که به ایده یک حسگر قابل کشش مهر مانند رسیدیم، که افزودنی ساده به خود هدفون است، اما تمام عملکردهای لازم را دارد و به ما آزادی کافی برای طراحی‌هایمان می‌دهد.

برای اطمینان از اینکه حسگرهای الکتروفیزیولوژیکی تماس محکمی با گوش داشته باشند، محققان حسگرهای سه بعدی و فنری طراحی کردند که تماس را حفظ می‌کنند اما می‌توانند با حرکت هدفون تنظیم شوند. از سوی دیگر، برای بهبود جمع آوری عرق، محققان حسگرهای الکتروشیمیایی را با یک فیلم هیدروژل شفاف پوشاندند.

یوچن ژو توضیح داد: این حسگر اسفنج مانند و آبدوست است. به عنوان یک بالشتک مکانیکی بین پوست و حسگرها عمل و به جمع آوری عرق کمک می کند.

یکی از محدودیت‌های دستگاه این است که برای جمع‌آوری لاکتات کافی برای تجزیه و تحلیل معنادار داده‌ها، افراد باید ورزش یا فعالیت بدنی دیگری را انجام دهند آنها را به عرق کردن وادار کند. این محققان قصد دارند در گام بعدی ضرورت این کار را حذف کنند.

همچنین جمع آوری داده های اضافی مانند سطوح اشباع اکسیژن و سطح گلوکز نیز از برنامه های آتی این حسگر پوشیدنی است.

محققان تصور می کنند این نوآوری می تواند به ارائه درمان های جدید منجر شود.

به گفته آن‌ها نوروفیدبک شنوایی که سیگنال‌های مغزی اندازه‌گیری‌شده را با صدای پخش شده توسط دستگاه در گوش مرتبط می‌کند، ممکن است پیشرفت‌های درمانی جدید بالقوه گسترده‌ای را برای بهبود فعال اختلالات عصبی ناتوان‌کننده، مانند وزوز گوش که در حال حاضر هیچ درمان مؤثری برای آن در دسترس نیست فراهم آورد.

این محققان مطالعه خود را در مقاله‌ای شرح می‌دهند که روی جلد شماره اکتبر ۲۰۲۳ مجله Nature Biomedical Engineering منتشر شده است .