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Monitores de salud flexibles, transparentes y con grafeno

Los nuevos monitores de salud son dispositivos tecnológicos que están priorizando el seguimiento no invasivo de los signos vitales, no solo para el monitoreo del estado físico, sino también para la prevención de problemas de salud comunes como insuficiencia cardíaca, hipertensión y complicaciones relacionadas con el estrés, entre otros.

Los wearables basados en mecanismos de detección óptica están demostrando un enfoque invaluable para informar sobre el funcionamiento interno de nuestros cuerpos y han experimentado una gran penetración en el mercado de consumo en los últimos años.

Las tecnologías portátiles actuales, basadas en componentes no flexibles, no ofrecen la precisión deseada y solo pueden monitorear un número limitado de signos vitales.

Para abordar este problema, los sensores ópticos no invasivos conformes que pueden medir un conjunto más amplio de signos vitales se encuentran en la parte superior de la lista de deseos de los usuarios finales.

En un estudio reciente publicado en Science Advances, los investigadores de ICFO han demostrado una nueva clase de dispositivos portátiles flexibles y transparentes que se adaptan a la piel y pueden proporcionar mediciones continuas y precisas de múltiples signos vitales humanos. Estos dispositivos pueden medir la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la oxigenación del pulso sanguíneo, así como la exposición a la radiación UV del sol. Mientras el dispositivo mide los diferentes parámetros, la lectura se visualiza y almacena en una interfaz de teléfono móvil conectada al dispositivo portátil a través de Bluetooth.

Además, el dispositivo puede funcionar sin batería, ya que se carga de forma inalámbrica a través del teléfono.

«Fue muy importante para nosotros demostrar la amplia gama de aplicaciones potenciales para nuestra avanzada tecnología de detección de luz a través de la creación de varios prototipos, incluyendo el brazalete flexible y transparente, el parche de salud integrado en un teléfono móvil y el parche de monitoreo UV para la  exposición al sol. Han demostrado ser versátiles y eficientes debido a estas características únicas ”, informa el Dr. Emre Ozan Polat, primer autor de esta publicación.

Fig. 1 Prototipos de seguimiento de salud basados ​​en PD GQD.
( A ) Fotografía del GQD PD flexible y transparente integrado en el brazalete de monitoreo de recursos humanos. ( B ) Fotografía ampliada de la PD flexible que contiene un canal de grafeno de 1 mm 2 en el sustrato PEN que está completamente cubierto por una capa delgada de QD de PbS (30 nm de espesor). El detector es visiblemente transparente y mecánicamente flexible. ( C ) Ilustración esquemática del ensamblaje de grafeno y QD en un sustrato flexible. ( D ) Esquema del fotopletismograma (PPG) en modo de reflectancia. Los cambios volumétricos en los microvasos modulan la luz retrodispersada que llega al PD GQD. ( E ) Pulsera de monitorización de FC basada en PPG en modo de reflexión para extraer signos vitales de la muñeca. ( F) Esquema del modo de transmisión PPG. La luz ambiental transmisiva es modulada por el ciclo cardíaco y alcanza la EP. ( G y H ) Fotografía del parche de salud en la pantalla del teléfono móvil que usa el modo de transmisión PPG para extraer la FC del dedo. ( I ) Lecturas de PPG normalizadas para modos de operación de transmisión y reflectancia. La alta sensibilidad y la flexibilidad mecánica de los PD GQD permiten que los parches de salud funcionen con precisión durante largos períodos en ambos modos. Crédito de la foto: Alina Hirschmann, ICFO – Institut de Ciencies Fotoniques.

Weareable de salud que se adapta a la piel

El brazalete fue fabricado de tal manera que se adapta a la superficie de la piel y proporciona una medición continua durante la actividad. La pulsera incorpora un sensor de luz flexible que puede registrar ópticamente el cambio en el volumen de los vasos sanguíneos, debido al ciclo cardíaco, y luego extraer diferentes signos vitales como la frecuencia cardíaca, la frecuencia respiratoria y la oxigenación del pulso sanguíneo.

En segundo lugar, los investigadores informan sobre la integración de un parche de salud de grafeno en la pantalla de un teléfono móvil, que mide y muestra instantáneamente signos vitales en tiempo real cuando un usuario coloca un dedo en la pantalla. Una característica única de este prototipo es que el dispositivo utiliza luz ambiental para operar, promoviendo un bajo consumo de energía en estos dispositivos portátiles integrados y, por lo tanto, permitiendo un monitoreo continuo de los marcadores de salud durante largos períodos de tiempo.

La avanzada tecnología de detección de luz de ICFO ha implementado dos tipos de nanomateriales: grafeno, un material altamente flexible y transparente hecho de una capa gruesa de átomos de carbono de un átomo, junto con una capa absorbente de luz hecha de puntos cuánticos.

La tecnología demostrada brinda un nuevo factor de forma y libertad de diseño al campo de los wearables, lo que hace que los dispositivos basados en puntos de grafeno cuántico sean una plataforma sólida para los desarrolladores de productos. El Dr. Antonios Oikonomou, desarrollador de negocios en ICFO enfatizó esto al afirmar que“La floreciente industria de los dispositivos portátiles está buscando ansiosamente aumentar la fidelidad y la funcionalidad de sus ofertas. Nuestra plataforma tecnológica basada en grafeno responde a este desafío con una propuesta única: un sistema escalable y de baja potencia capaz de medir múltiples parámetros mientras permite la traducción de nuevos factores de forma en productos.

El Dr. Stijn Goossens, co-supervisor del estudio, también comenta que » hemos hecho un gran avance al mostrar un sistema de detección flexible y portátil basado en componentes de detección de luz de grafeno. La clave era elegir lo mejor de los mundos rígidos y flexibles. Utilizamos los beneficios únicos de los componentes flexibles para la detección de signos vitales y lo combinamos con el alto rendimiento y la miniaturización de los componentes electrónicos rígidos convencionales. »

Detección con longitud de onda más allá de lo visible

Finalmente, los investigadores han podido demostrar un amplio rango de detección de longitud de onda con la tecnología, extendiendo la funcionalidad de los prototipos más allá del rango visible. Al usar la misma tecnología central, han fabricado un prototipo de parche UV flexible capaz de transferir de forma inalámbrica tanto energía como datos, y operar sin batería para detectar el índice UV ambiental. El parche funciona con un bajo consumo de energía y tiene un sistema de detección UV altamente eficiente que se puede conectar a la ropa o la piel, y se utiliza para monitorear la ingesta de radiación del sol, alertando al usuario de cualquier posible sobreexposición.

Parche de monitoreo UV inalámbrico y sin batería.
( A ) Fotografía del parche GQD-UV. El ensamblaje de GQD se integró heterogéneamente en un parche NFC disponible comercialmente (TIDM-RF430-TEMPSENSE, Texas Instruments), y la conexión eléctrica entre PD y el chip se obtiene mediante líneas de metal depositadas. Barra de escala, 10 mm. ( B ) Diagrama de bloques del sistema de monitoreo UV inalámbrico y sin batería. NFC proporciona comunicación bidireccional al alimentar inductivamente el parche y enviar de forma inalámbrica los datos al teléfono inteligente. ( C) Monitorización móvil del índice UV a través de un parche UV colocado en el brazo. El parche utiliza un filtro de paso corto flexible en la parte frontal que bloquea las longitudes de onda superiores a 400 nm, lo que permite un control preciso del índice UV ambiental. El software desarrollado muestra el índice UV real e informa al usuario sobre el tiempo de exposición restante recomendado. ( D ) Modulación de la señal de salida NFC con respecto a la irradiancia a 285 nm. La alta sensibilidad de 1 mW / m 2 permite una medición precisa e inalámbrica del índice UV. La escala de colores muestra la gravedad de la exposición a los rayos UV de acuerdo con el promedio ponderado de Diffey. Crédito de la foto: Alina Hirschmann, ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques.

«Estamos entusiasmados con las perspectivas de esta tecnología, señalando una ruta escalable para la integración de los puntos cuánticos de grafeno en circuitos portátiles totalmente flexibles para mejorar la forma, la sensación, la durabilidad y el rendimiento «, comenta el profesor Frank Koppens, líder de Grupo Quantum Nano-Optoelectronics en ICFO. “ Tales resultados muestran que esta plataforma portátil flexible es compatible con procesos de fabricación escalables, demostrando que la producción en masa de dispositivos de bajo costo está al alcance en un futuro cercano. »

Enlace al paper: Flexible graphene photodetectors for wearable fitness monitoring.
Enlace al grafeno en ICFO.
Enlace al grupo de investigación dirigido por ICREA del Prof. en ICFO Frank Koppens.