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本研究的主要作者包括Siddharth R. Krishnan、Tyler R. Ray、Amit B. Ayer等，他们分别来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、西北大学、清华大学等机构。研究发表于2018年10月31日的《Science Translational Medicine》期刊上，标题为《Epidermal electronics for noninvasive, wireless, quantitative assessment of ventricular shunt function in patients with hydrocephalus》。
研究领域为生物医学工程与材料科学，特别是针对脑积水（hydrocephalus）患者的非侵入性诊断技术。脑积水是一种常见的神经系统疾病，由脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）的过度产生或吸收障碍引起。目前的标准治疗方法是植入脑室分流管（ventricular shunt），但分流管容易发生故障，导致头痛、头晕、恶心等非特异性症状。现有的诊断工具如CT、MRI、放射性核素分流管通畅性研究（radionuclide shunt patency studies, RSPSS）等存在成本高、准确性低、操作不便和安全问题等缺点。因此，本研究旨在开发一种非侵入性、无线、可穿戴的测量平台，用于精确、连续或间歇性地测量脑脊液流动，以克服现有方法的不足。
研究分为多个步骤，包括理论分析、实验验证、设备开发、临床试验和数据处理。
设备设计与开发
研究团队设计了一种超薄（厚度<100微米）、柔软（弹性模量~70 kPa）、轻量（<10 mg/cm²）的皮肤贴附式电子设备，能够精确测量脑脊液流动。该设备由热传感器阵列和热执行器组成，通过蓝牙协议进行无线数据传输，并采用可充电电池供电。设备的核心创新在于其超低的弯曲刚度，比传统刚性传感器低九个数量级，使其能够与皮肤完美贴合，实现高精度的热传导和热扩散测量。
实验验证
研究首先在实验台上进行了系统性的理论和实验验证，评估了设备在不同操作条件下的性能。通过有限元分析（finite element analysis, FEA）和热成像技术，研究了皮肤热特性、厚度、设备几何形状和导管几何形状对热传输的影响。实验结果表明，设备能够在广泛的实用操作条件下表现出高性能。
临床试验
研究在五名脑积水患者中进行了临床试验，验证了设备检测脑脊液流动的能力。试验中，设备被放置在患者皮肤上，通过测量热传导的各向异性来检测脑脊液流动。结果显示，设备能够区分基线流动、减少流动和远端分流管故障（p = 0.012）。此外，研究还开发了数据处理算法，将测量数据转化为定量的流速。
数据分析
研究采用主成分分析（principal component analysis, PCA）模型来评估导管位置与传感器阵列的关系，并确认是否存在流动。通过高密度传感器阵列，研究能够生成温度各向异性的空间分布图，进一步简化了传感器设计，使其仅需一个执行器和一对传感器即可实现快速测量。
设备性能
实验结果表明，设备能够精确测量脑脊液流动，且在多种操作条件下表现出高性能。临床试验进一步验证了设备的有效性，能够区分不同的流动状态。
数据处理与定量分析
通过PCA模型和有限元分析，研究团队能够定量提取流速，并区分健康流动、间歇流动和阻塞流动。临床试验数据显示，设备在检测分流管故障方面具有高灵敏度和特异性。
无线数据传输
研究还开发了无线数据采集系统，通过蓝牙协议实现数据的实时传输和记录。无线设备具有灵活性、轻便性和长续航能力，适用于临床监测。
本研究开发了一种创新的皮肤贴附式电子设备，能够非侵入性地精确测量脑脊液流动，为脑积水的诊断和治疗提供了新的工具。设备的超薄、柔软、无线设计使其在临床应用中具有显著优势，能够克服现有诊断工具的局限性。研究结果表明，该设备在检测分流管故障方面具有高灵敏度和特异性，能够为患者提供更安全、便捷的诊断方法。
创新性设备设计
设备采用超薄、柔软、轻量的材料，能够与皮肤完美贴合，实现高精度的热传导和热扩散测量。
无线数据传输
设备通过蓝牙协议实现无线数据传输，适用于临床监测，具有长续航能力和灵活性。
定量分析算法
研究开发了数据处理算法，能够将测量数据转化为定量的流速，为临床诊断提供精确的依据。
临床验证
临床试验验证了设备在检测分流管故障方面的有效性，能够区分不同的流动状态，具有高灵敏度和特异性。
研究还探讨了设备在测量其他生物流体（如血液流动）方面的潜力，为未来的生物医学工程研究提供了新的方向。此外，研究团队还开发了简化版的设备，仅需一个执行器和一对传感器即可实现快速测量，进一步降低了设备成本和使用门槛。
本研究在脑积水的非侵入性诊断领域取得了重要突破，为患者提供了更安全、便捷的诊断工具，具有重要的科学价值和临床应用前景。