在健康监测的赛道上，大家是不是觉得手腕上的智能手环已经很厉害了？能测心率、步数，还能看看睡眠质量。但今天得跟大家系统性分享耳部软电子技术的前沿研究成果，它使得耳朵可能会成为健康监测的“新宠儿”！
近日，西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）方云生特聘研究员、徐峰教授和西安交通大学第一附属医院耳鼻咽喉头颈外科李白芽副主任医工交叉团队在Advanced Functional Materials（影响因子：18.5）上发表了 “Ear-area Soft Electronics for Advanced Healthcare Monitoring”的综述文章，为我们揭示了耳部软电子技术在人体健康监测方面的巨大潜力。
该综述系统介绍了耳部的解剖学结构、常见疾病以及对应的治疗手段，基于这些基础知识探讨了耳部医疗领域最新的生物电、生物物理、生物化学以及多模态检测技术的研究成果，并全面总结了新型材料与技术在耳部疾病诊断与治疗中的科研进展。此外，文章还深入探讨了在数字化时代，基于先进技术的耳部健康智能监测系统在传感器研发、数据解析、能源供应以及人机交互等方面所面临的当前难题和未来发展趋势。最后，文中还特别强调了在临床实际应用过程中，耳部相关医疗产品在稳定性、患者适配度、成本控制、行业标准统一以及法律法规遵循方面所面临的挑战，为耳部健康管理的未来发展提供了全新思路。图1展示了在新材料、电子技术、人工智能和物联网等前沿技术快速发展的大背景下，基于耳部软电子设备用于人体生物电、生物物理、生物化学和多模态生理信息监测的概念图。
图1. 耳部软生物电子设备用于人体健康监测系统的概念图
耳朵，可不只是个听声音的器官，它简直就是人体健康的“信息宝库”（图2）。从临床角度看，耳朵的结构超复杂，外耳、中耳、内耳各有分工，还和大脑、肌肉、血管紧密相连，神经分布也特别密集。它就像一个精密的小宇宙，里面藏着无数关于我们健康的秘密。比如说，通过耳朵能采集到脑电（EEG）、心电（ECG）、肌电（EMG）等生物电信号，这些信号能直接反映神经兴奋性、心脏活动和肌肉状态。耳内毛细血管的光学特性还能实现无创血流动力学监测，就连耳膜温度都能当作核心体温的可靠指标，耳部分泌物也能透露我们的精神状态。这么看来，耳朵简直就是人体健康的“晴雨表”，只是以前没被好好利用罢了。
图2. 耳部软生物电子设备用于人体人体健康监测的物理基础和特征
在 5G 和物联网技术蓬勃发展的时代背景下，耳部软电子技术崭露头角。这种技术制造的设备就像为耳朵量身定制的 “智能铠甲”，能够完美贴合耳朵的复杂形状，凭借其出色的柔韧性、皮肤贴合性和生物相容性，实现对多种生物信号的精准采集与分析。接下来，咱们详细看看这些神奇的耳部软电子设备都有啥本事。
先说说耳部软生物电电子设备。生物电是人体生理活动的 “隐形指挥官”，对维持人体正常的生理功能起着至关重要的作用。我们的大脑在思考、睡眠时，神经元之间通过生物电信号进行着复杂而有序的信息传递；心脏的每一次跳动，都伴随着生物电的规律性变化，这些变化精准地调控着心脏的收缩与舒张；肌肉的运动同样依赖生物电的刺激，使我们能够自由活动。可以说，生物电贯穿于人体生命活动的每一个角落，反映着身体各个器官和系统的运行状态。耳部软生物电电子设备正是基于人体生物电的传导特性来实现健康监测的。想象一下，有个小设备能塞进耳朵里，像个忠诚的小卫士一样，24小时监测你的大脑活动（图3）。比如SpiralE耳脑电监测装置，它能精准采集脑电信号，信号质量比在头皮上采集的还要好，对睡眠监测、癫痫诊断这些都超有帮助。还有一种干接触式设备，能放在耳朵里收集脑电信号，评估睡眠质量，比传统的睡眠监测方法方便太多了。而且，通过优化算法、选对监测位置和电极材料，耳心电信号监测也越来越精准，对心律失常等心脏疾病的诊断意义重大。
图3. 生物电信号监测
再看看耳部软生物物理电子设备。这类设备在人体健康监测中同样占据着重要地位，它利用多种物理原理，从不同角度为我们提供丰富的健康信息（图4）。例如，心血管系统的健康状况直接关系到人体的整体健康，而耳部软生物物理电子设备能够实时、精准地监测心率、血压、血氧饱和度等关键指标。其监测原理主要基于光、力、声等物理现象。以光电容积脉搏波（PPG）技术为例，耳内毛细血管中的血液在心脏跳动的作用下会发生周期性的充盈和排空，导致光线在血液中的吸收和反射发生变化。PPG 传感器通过发射特定波长的光，并检测反射光的强度变化，就能转化为反映心率、血压等信息的电信号。另外，集成在耳机中的摩擦电传感器利用摩擦起电的原理，能够将耳部周围肌肉运动、动脉血流产生的微小机械振动转化为电信号，从而实现对耳后动脉和颞浅动脉血流情况的监测，还能借助声音测量心率和心率变异性，为心血管疾病的预防和诊断提供有力支持。
图4. 生物物理信号监测
耳部软生化电子设备也不甘示弱。体的代谢过程会产生各种生化物质，这些物质的含量变化往往能反映出身体的健康状况。耳朵的汗液和间质液中含有丰富的生化标志物，如酒精代谢物、皮质醇、葡萄糖等，它们就像身体的 “健康指示灯”，一旦出现异常，可能预示着身体存在某些问题（图5）。耳部软生化电子设备主要通过微流控技术和电化学、光化学检测方法来监测这些生化标志物。微流控技术能够精确地收集、运输和分析微小体积的生物流体样本。电化学检测是让分析物与传感器电极直接接触或与酶修饰电极发生反应，通过测量电流、电位等电信号的变化来确定分析物的浓度。光化学检测则是利用酶催化分析物的氧化还原反应，使反应过程中释放出荧光，通过检测荧光强度来实现对目标分析物的检测。这两种检测方法相互结合，能够为我们提供多维度的生化信息，帮助我们更好地了解身体的代谢情况，比如判断运动强度是否合适，为糖尿病患者提供血糖监测等。
图5 生物化学信号监测
单一的监测手段难免有局限，所以耳部软多模态电子设备就应运而生了。人体是一个复杂的系统，单一的监测方式往往只能获取部分信息，难以全面、准确地评估健康状况。而耳部软多模态电子设备则像是一个“超级健康监测站”，它整合了生物电、生物物理和生化等多种监测手段，能够同时从多个维度采集人体健康数据。这种设备的工作原理是将不同类型的传感器集成在一起，协同工作。例如，将生物电传感器、生物物理传感器和生化传感器整合在一个小巧的设备中，同时监测脑电、心电、心率、血压、血糖等多种生理指标。通过对这些多维度数据的综合分析，能够更全面地反映人体的健康状态，对疾病进行更准确的诊断。比如，将脑电和肌电信号结合，可以更全面地评估神经系统功能；将生物物理和生化监测结合，有助于筛查月经周期紊乱、库欣综合征等复杂疾病，为个性化医疗提供更精准的依据（图6）。
图6 多模态生物信号监测
尽管耳部软电子技术前景广阔，但目前仍面临一些挑战。从技术层面看，材料选择就很关键，要兼顾柔韧性、导电性和生物相容性。电源供应也得好好研究，得找到高效、可持续的供电方式，让设备能长时间稳定工作。电路设计要更优化，减少干扰，适应不同环境。信号处理方面，得想办法去除运动伪影，提高数据准确性。无线通信也得更安全、高效，让数据传输又快又稳。从实际应用角度看，还得解决设备与现有技术的兼容性问题，提高用户接受度，控制成本，建立统一的标准（图7）。
图7. 耳部软生物电子设备未来发展从传感器系统、数据处理和转化方面的展望
未来，耳部软电子技术有望成为个性化医疗的重要组成部分。想象一下，以后我们戴着一副智能耳机，就能实时掌握自己的健康状况，及时发现潜在疾病风险，实现真正的“治未病”。这一技术还可能推动可穿戴和植入式电子设备的大变革，让医疗监测变得更便捷、高效。说不定哪天去医院看病，医生不用再给你戴各种复杂的仪器，只看看你耳朵上的小设备，就能对你的健康状况了如指掌。期待在科研人员的努力下，耳部软电子技术会越来越成熟，走进我们的日常生活，为我们的健康保驾护航。
西安交通大学电气学院大三本科生俞越和电信学部大三本科生张浩宇为论文的共同第一作者，西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）方云生特聘研究员、徐峰教授、与西安交通大学第一附属医院耳鼻咽喉头颈外科李白芽副主任为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才基金、航空科学基金、生命学院-第一附属医院医工交叉项目等支持。
方云生研究团队致力于开发柔性可穿戴智能生物诊疗系统，目前着力于可穿戴超声设备的开发和人体深组织诊疗，开展了生物传感、智能诊疗和设备开发等理工医多学科交叉创新研究。通过理论和实验探究拟揭示多模态生化和物理信息影响人类重大疾病的发生发展规律和机制，开发生物医学信息提取/处理、理解/认知和干预/调控的关键技术和设备。相关研究为解决可穿戴生物电子系统在复杂环境应力条件下面临的生物传感器大规模制造（难点一）、智能健康数据处理（难点二）以及诊断治疗一体化集成系统（难点三）这三大技术挑战提供了理论和实验支撑,为解决跨多学科的耦合设计和电子系统-人体系统的界面-力学-交互的多维集成，提供了可靠的理论指导和技术支撑。目前已在主流期刊上发表论文40余篇，其中以第一/共同第一作者或通讯/共同通讯作者在Chemical Society Reviews、Advanced Materials（2篇）、The Innovation、Materials Today（2篇）、Matter（3篇）、ACS Nano（2篇）、Advanced Functional Materials（2篇）等期刊发表论文30余篇，被引用3800余次，6篇入选ESI高被引论文，7篇被选为封面文章，H因子31；申请中国发明专利9项(5项已授权)。目前还担任The Innovation(IF =33.2)、SmartMat(IF =15.3)、Nano-Micro Letters(IF =31.6)、Advanced Fiber Materials(IF =17.2)、Med-X和Soft Science等多个国际高水平期刊青年编委。
更多信息请访问：
https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/yunshengfang
西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC)围绕“科学研究-技术研发-工程应用-临床推广”的学术思想和“临床问题 (BED)-实验室研究 (BENCH)-临床应用 (BED)”的研究思路，在力学微环境领域开展了从组织到细胞和分子尺度的多尺度生物热-力-电耦合学等基础和应用研究，为阐明重大疾病的发病机理和临床诊疗提供有效的理论指导和技术方案。特别是近年来，在生物力学和力学生物学的研究基础上，通过工程学手段，将不同尺度的力学调控引入疾病治疗，开展了一系列基于生物力学和力生物学的力医学（Mechanomedicine）研究，相关研究成果发表于Nature Materials (2017, 2022)、Nature Chemistry (2019)、Nature Biomedical Engineering (2020，2021)、PNAS (2022，2023)、Nature Communications (2023, 2022, 2021)、 Nature Reviews Bioengineering (2023) 、 Science Advances (2023, 2019)等期刊。
Yu, Y.#, Zhang, H. Y.#, Pan, X. S., Yuan, M., Sun, Y. Y., Han, P., Quan, F., Li, B. Y.*, Xu, F.*, Fang, Y. S.*, Ear-area Soft Electronics for Advanced Healthcare Monitoring. Advanced Functional Materials, 2025,
DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202505046
来源：高分子科学前沿
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