De nouveaux biocapteurs permettent aux écouteurs d’enregistrer l’activité cérébrale et les niveaux d’exercice

Les données en continu de ces biocapteurs peuvent être utilisées pour la surveillance de la santé et le diagnostic des maladies neurodégénératives.

Une paire d’écouteurs peut être transformée en un outil pour enregistrer l’activité électrique du cerveau ainsi que les niveaux de lactate dans le corps grâce à l’ajout de deux capteurs flexibles sérigraphiés sur une surface flexible en forme de tampon.

Les capteurs peuvent communiquer avec les écouteurs, qui transmettent ensuite sans fil les données collectées pour une visualisation et une analyse plus approfondie, soit sur un smartphone, soit sur un ordinateur portable. Les données peuvent être utilisées pour la surveillance de la santé à long terme et pour détecter les maladies neurodégénératives à long terme.

Les capteurs, développés par une équipe de recherche multidisciplinaire composée d’ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego, sont beaucoup moins encombrants que les appareils de pointe actuellement utilisés pour détecter l’activité électrique du cerveau et les sécrétions sudoripares du corps. Ils peuvent être utilisés dans le monde réel pendant l’exercice, ont montré les chercheurs.

Si la détection intra-auriculaire de plusieurs paramètres physiologiques n’est pas nouvelle, l’intégration de la détection des signaux cérébraux et corporels sur une seule plateforme l’est. Cette percée a été rendue possible grâce à l’expertise combinée d’ingénieurs biomédicaux, chimiques, électriques et nano.

Données et validation

Données provenant d’un électroencéphalogramme (EEG), qui mesure l’activité électrique dans le cerveau, et le lactate sudoral, un composé organique acide que le corps produit pendant l’exercice et l’activité métabolique normale, peuvent être combinés à diverses fins. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour diagnostiquer différents types de crises, notamment les crises d’épilepsie. Ils peuvent également être utilisés pour surveiller l’effort pendant l’exercice physique et surveiller les niveaux de stress et de concentration.

Les chercheurs ont validé les données recueillies au cours de cette étude de validation de principe par rapport aux données obtenues à partir de casques EEG à contact sec disponibles dans le commerce et d’échantillons de sang contenant du lactate. Les données collectées par les capteurs flexibles étaient tout aussi efficaces.

L’équipe décrit son travail dans un article paru en couverture du numéro d’octobre 2023 de Génie biomédical naturel.

Les chercheurs prévoient un avenir dans lequel les systèmes de neuroimagerie et de surveillance de la santé fonctionneront avec des capteurs portables et des appareils mobiles, tels que des téléphones, des écouteurs, des montres, etc., pour suivre l’activité cérébrale et les niveaux de nombreux métabolites liés à la santé tout au long de la journée. Cela permettrait aux utilisateurs d’améliorer les capacités cérébrales et corporelles. L’équipe envisage également un avenir dans lequel les capacités des appareils audio portables existants, tels que les écouteurs, pourront être considérablement étendues pour recueillir une gamme de données beaucoup plus large.

« Être capable de mesurer la dynamique de l’activité cognitive cérébrale et de l’état métabolique du corps dans un seul appareil intra-auriculaire intégré qui n’empiète pas sur le confort et la mobilité de l’utilisateur ouvre d’énormes opportunités pour faire progresser la santé et le bien-être des personnes de tous âges. , à tout moment et n’importe où », a déclaré Gert Cauwenberghs, professeur au département de bio-ingénierie Shu Chien Gene Lay de l’UC San Diego.

Les capteurs surveillent le niveau de lactate dans la sueur pendant l’exercice. Crédit : Université de Californie à San Diego

Pourquoi des écouteurs ?

L’équipe a estimé que le port omniprésent d’écouteurs se traduisait par un potentiel inexploité de collecte pratique de signaux cérébraux et corporels, à la fois pour le bien-être et la santé.

« Les écouteurs existent depuis des décennies et, à bien des égards, ils ont été l’un des premiers appareils portables sur le marché », a déclaré Patrick Mercier, professeur au département de génie électrique et informatique de l’UC San Diego. « Cette recherche franchit des premières étapes importantes pour montrer que des données impactantes peuvent être mesurées à partir du corps humain simplement en augmentant les capacités des écouteurs que les gens utilisent déjà quotidiennement. Puisqu’il n’y a pas de frictions majeures liées à l’utilisation de cette technologie, nous prévoyons une éventuelle adoption à grande échelle.

L’oreille possède des glandes sudoripares et est proche du cerveau, a déclaré Yuchen Xu, co-premier auteur de l’article et chercheur postdoctoral au laboratoire de Cauwenberghs. « C’est un point d’entrée naturel : les gens sont habitués à porter des écouteurs », a-t-il déclaré.

Construire les capteurs

Un tel système nécessite une expertise multidomaine, c’est ainsi que ce projet est né au Center for Wearable Sensors de l’UC San Diego, où le professeur de bio-ingénierie Cauwenberghs a collaboré avec les professeurs de nano-ingénierie Joseph Wang et Sheng Xu, qui possèdent une vaste expérience dans la conception et la construction d’objets extensibles, capteurs chimiques flexibles et performants. Patrick Mercier, professeur au département de génie électrique et informatique de l’école Jacobs, a également apporté au projet sa vaste expérience en électronique biomédicale basse consommation et en systèmes sans fil.

« L’une des raisons pour lesquelles nous avons pu réaliser cette avancée est que nous avons vraiment réfléchi à l’intégration », a déclaré Ernesto De La Paz, titulaire d’un doctorat. ancien élève du groupe de recherche du professeur de nano-ingénierie Joseph Wang et co-premier auteur de l’article. « Nous voulions rendre les capteurs aussi petits que possible pour collecter de minuscules échantillons de sueur. Nous avons également tenu compte de la forme irrégulière de l’oreille en intégrant des composants susceptibles de se plier.

La première étape dans la construction des capteurs intra-auriculaires consistait à confirmer que les données EEG et lactate pouvaient être collectées dans l’oreille. Les chercheurs ont dû concevoir des instruments plus petits et plus compacts pour recueillir des signaux électrophysiologiques, tels que des données EEG, qui pourraient tenir sur un écouteur. Ils ont également dû trouver un matériau approprié pour collecter la sueur et détecter le lactate. Après des expériences préliminaires sur des sujets humains, les chercheurs ont déterminé que le meilleur endroit pour collecter et enregistrer les données sur le lactate était le tragus, où la sueur s’accumule à l’entrée de l’oreille. L’équipe savait également, grâce à son expérience antérieure, que pour collecter des données EEG, des électrodes physiologiques hautes performances pointées vers le lobe temporal étaient nécessaires.

« Le principal défi technique consistait non seulement à installer deux capteurs dans l’oreille, qui est un petit espace qui varie d’un individu à l’autre, mais également à acquérir de manière fiable les signaux de l’EEG et du lactate », a déclaré Yuchen Xu. « Nous avons également dû prendre en compte l’intégration des écouteurs et réduire la diaphonie. C’est à ce moment-là que nous avons eu l’idée d’un capteur extensible en forme de tampon, qui est un simple ajout à l’écouteur lui-même, mais qui possède toutes les fonctions nécessaires dont nous avions besoin et nous a donné suffisamment de liberté pour nos conceptions.

Pour s’assurer que les capteurs électrophysiologiques étaient en contact ferme avec l’oreille, les chercheurs ont conçu des capteurs 3D à ressort qui maintiennent le contact mais peuvent s’ajuster lorsque les écouteurs bougent. D’autre part, pour améliorer la collecte de la sueur, les chercheurs ont recouvert les capteurs électrochimiques d’un film hydrogel transparent. « Il ressemble à une éponge et est hydrophile », a déclaré Yuchen Xu. « Il agit comme un coussin mécanique entre la peau et les capteurs et aide également à collecter la sueur. »

Il est difficile d’éviter la diaphonie entre les deux capteurs compte tenu de l’espace limité à l’intérieur de l’oreille. Les chercheurs ont analysé diverses sélections de matériaux et conceptions structurelles et ont validé la faisabilité de l’enregistrement simultané des signaux EEG et lactate avec deux capteurs séparés de deux millimètres.

« Cette nouvelle et puissante plate-forme bioélectronique portable multimodale intra-auriculaire offre une riche source d’informations en temps réel sur la santé des utilisateurs, en enregistrant simultanément et dynamiquement des informations physiques et biochimiques », a déclaré Joseph Wang, professeur au Département de nano-ingénierie. et directeur du Center for Wearable Sensors de la Jacobs School.

Opportunités futures

L’une des limites des appareils est que pour collecter suffisamment de lactate pour analyser les données de manière significative, les sujets doivent faire de l’exercice ou d’autres activités physiques qui font transpirer. Dans les travaux futurs, les chercheurs chercheront à supprimer cette exigence.

« La prochaine étape consiste également à intégrer l’électronique dans le capteur », a déclaré Yuchen Xu.

L’équipe travaille également au traitement des données sur l’appareil lui-même. A terme, l’objectif est de transmettre sans fil les données traitées à un ordinateur ou un smartphone. Les capteurs intra-auriculaires pourraient également collecter des données supplémentaires, telles que les niveaux de saturation en oxygène et les niveaux de glucose.

Les chercheurs envisagent que ces travaux conduisent à de nouvelles thérapies.

« Le neurofeedback auditif couplant les signaux cérébraux mesurés avec le son émis par le dispositif dans l’oreille pourrait permettre de nouvelles avancées thérapeutiques potentiellement de grande envergure pour la remédiation active des troubles neurologiques débilitants, tels que les acouphènes pour lesquels aucun traitement efficace n’est actuellement disponible », a déclaré Cauwenberghs.

Évaluation du capteur

Tout au long de l’étude, les chercheurs ont mené des expériences approfondies pour valider l’efficacité des capteurs.

Ils ont caractérisé les performances des électrodes ainsi que plusieurs modèles de signaux cérébraux importants, notamment la modulation alpha et les réponses auditives à l’état d’équilibre, en plus de l’électrooculographie (EOG) pour les capteurs électrophysiologiques.

Ils ont caractérisé la sensibilité, la sélectivité et la stabilité à long terme des capteurs de lactate.

Ils ont également caractérisé la diaphonie entre les capteurs, la stabilité mécanique et la stabilité environnementale des capteurs intégrés.

« Le conduit auditif a été relativement sous-exploré au sein de la communauté des technologies portables », a déclaré Sheng Xu, membre du corps professoral du département de nano-ingénierie de la Jacobs School. « Ce travail démontre le potentiel de la détection continue pour capturer des signaux physiques et chimiques précieux provenant du conduit auditif, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses opportunités passionnantes dans le domaine des appareils portables. »

Département de bioingénierie Shu Chien-Gene Lay de l’UC San Diego : Yuchen Xu, Akshay Paul, Min Lee, Abhinav Uppal, William Chen, Stephen Deiss, Gert Cauwenberghs

Département de nano-ingénierie et de génie chimique de l’UC San Diego : Ernesto De la Paz, Kuldeep Mahato, Juliane R. Sempionatto, Nicholas Tostado, Muyang Lin, Srishty Dua, Lu Yin, Sheng Xu, Joseph Wang

Département de génie électrique et informatique de l’UC San Diego : Gopabandhu Hota, Brian L. Wuerstle, Patrick Mercier

Cette recherche a été réalisée et soutenue par le Center for Wearable Sensors de la Jacobs School of Engineering de l’UC San Diego.