新设备可以为母乳喂养的母亲提供安心，减少焦虑。它使用生物阻抗技术，这种技术目前用于测量体脂，并实时将临床级数据流式传输到智能手机或平板电脑。该设备由医生和工程师开发，并经过新妈妈的测试。该技术特别可以帮助在新生儿重症监护室（NICU）中脆弱的婴儿，他们有精确的营养需求。
母乳喂养对母亲和婴儿都有许多好处，但有一个主要缺点：很难确切知道婴儿摄入了多少乳汁。
为了消除母乳喂养的猜测，一组来自西北大学的工程师、新生儿科医生和儿科医生的跨学科团队开发了一种新的可穿戴设备，可以提供临床级的持续母乳消费监测。
该设备轻巧舒适地包裹在哺乳母亲的乳房周围，并通过无线方式将数据传输到智能手机或平板电脑。母亲可以实时查看婴儿摄入的奶量的实时图形显示。
通过消除不确定性，该设备可以为父母在婴儿出生的头几天和几周内提供安心。特别是，这种新技术可以帮助减少父母的焦虑，并改善对在新生儿重症监护室内脆弱婴儿的营养管理。
该研究将于周三（5月14日）在《自然生物医学工程》杂志上发表。为了确保其准确性和实用性，该设备经过了多个严格评估阶段，包括理论建模、实验室实验以及在医院对一组新母亲的测试。
“准确知道婴儿在母乳喂养期间摄入多少奶一直是父母和医疗提供者面临的挑战，”西北大学的约翰·A·罗杰斯说，他是设备开发的负责人。“这项技术消除了这种不确定性，为无论是在医院还是在家中都提供了一种便利和可靠的实时监测奶量的方式。”
“不确定婴儿是否摄入足够的营养会给家庭带来压力，尤其是对在NICU中有早产婴儿的母亲来说，”西北医学新生儿科医生、研究的共同通讯作者丹尼尔·罗宾逊博士说。“目前，只有麻烦的方式可以用来测量婴儿在母乳喂养期间摄入了多少奶，比如在喂养前后称重婴儿。我们预计这个传感器将在乳汁支持方面带来重大进展，减少家庭的压力，同时为临床医生提供更大的确定性，因为婴儿在母乳喂养方面取得进展但仍需营养支持。减少不确定性并帮助家庭实现母乳喂养目标将有助于儿童、母亲和社区的健康。”
作为生物电子学的先锋，罗杰斯是西北大学材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎瑞教授——他在麦考密克工程学院和费恩伯格医学院拥有职务，并且是奎瑞·辛普森生物电子学研究所（QSIB）的主任。罗宾逊是费恩伯格医学院的儿科副教授，并在芝加哥安娜和罗伯特·H·卢里儿童医院的新生儿科担任主治医生。罗杰斯和罗宾逊与费恩伯格的儿科教授、卢里儿童医院主治医生克雷格·加菲尔德博士，以及卢里儿童医院的儿科医生詹妮弗·威克斯博士共同领导了该研究。
QSIB的三位博士后研究人员为该项目贡献了相同的努力，他们现在都是韩国的教职人员：金知慧，阿州大学助理教授，负责设备设计并支持临床试验；吴世永，汉阳大学助理教授，负责无线电子工程；柳在荣，成均馆大学助理教授，负责数据分析方法开发。金和吴与麦吉大学副教授、瑞斯大学机械工程助理教授以及西北大学博士毕业生拉乌德·阿维拉共同担任共同第一作者，后者负责计算建模。
解决未满足的需求
项目始于四年前，当时卢里儿童医院的新生儿科医生和儿科医生向罗杰斯的团队提出了一个重要的未满足需求。由于母乳在哺乳期间从母亲转移到婴儿的过程不可见，且乳汁流动变化，几乎不可能确切知道婴儿在一次喂养中消费的确切奶量。
“目前，尚无可靠的方法来得知婴儿在母乳喂养时吃了多少，”威克斯说，她是三个孩子的母亲。“一些儿科医生和喂养顾问会在喂养前后称重婴儿，而该测量能够给出婴儿喝了多少奶的良好估计。但不幸的是，婴儿秤不小，且大多数人都没有婴儿秤。因此，虽然这种方式可以提供估计，但并不方便。”
作为另一种选择，母亲可以将母乳挤入瓶中。虽然瓶喂提供了精确的量测和可视的安心，但却失去了皮肤对皮肤接触的好处。而挤奶、储存和处理乳汁的额外步骤耗时且可能增加细菌污染的风险。
“与用瓶子喂养母乳相比，直接在母亲身上哺乳有几个优点，”威克斯表示。“首先，皮肤接触的联系对婴儿和母亲都有益。此外，母乳喂养通常能够更好地刺激乳汁产生。”
尽管其他学术研究人员和小型初创企业探索了监测母乳和喂养各方面的技术，但经过同行评审的研究仍然稀少。
“根据我们对科学文献的评审和与儿科医生以及新生儿科医生的讨论，没有临床验证的技术来解决这一重要的医疗需求，”罗杰斯说。“我们的工作填补了这一空白。”
找准策略
罗杰斯的团队之前开发了柔软、灵活的无线身体传感器，用于监测NICU中的婴儿，以及用于跟踪流体通过分流流动的可穿戴传感器，这些是常用于治疗脑积水患者的。由于具有与脆弱人群合作的经验并开发能够测量流体流动的设备，罗杰斯和他的团队是该项目的理想人选。
“我们的临床同事询问我们是否能够开发一种传感器，使新母亲能够确定她们的婴儿在哺乳期间摄入了多少奶，”罗杰斯说。“起初，我们不确定如何解决这个问题。我们用来跟踪分流流动的策略在皮肤表层下方的位置不适用，因为乳管位于皮肤表面以下太远。”
经过多年的失败尝试，基于监测乳房光学特性的方式、量化吸吮动作、跟踪吞咽事件等方法，工程师们最终决定了一种非常简单的技术。该设备通过放置在皮肤上的两个小垫子或电极向乳房传送一个微小的、安全的电流。另一对电极捕获与该电流相关的电压差。
随着婴儿饮用乳汁，乳房中的乳汁量减少。这种减少导致乳房的电气特性以微妙但可测量的方式发生变化。这些变化直接……与从乳房中去除的乳汁量相关。去除量越大，电气性能的变化就越显著。尽管微妙，这种变化可以准确校准并量化，以便在母乳喂养期间实时显示在智能手机上。
“这是一个称为生物阻抗的概念，通常用于测量体脂肪，”罗杰斯说。“因为肌肉、脂肪、骨骼和组织的电导率不同，生物阻抗可以提供脂肪含量的准确测量。以类似的概念，我们可以量化乳房中乳汁量的变化。这是我们最后尝试的策略，不幸的是。但是幸运的是，我们发现我们能够让它很好地工作。”
严格测试
在设计初步原型之后，工程团队通过几个阶段的测试和建模对其进行了优化。首先，他们使用模拟皮肤、脂肪和乳汁电性能的材料构建了乳房的简化模型。通过精确控制这些模型中“乳汁”的量，研究人员可以看到设备数据在“乳汁”量变化时如何变化。
在莱斯大学的阿维拉的领导下，团队随后创建了基于真实解剖结构的乳房详细计算机模型。他们的基于物理的计算机模拟监测母乳喂养期间发生的生理变化。使用生物阻抗，阿维拉将电信号流与乳汁实时流出乳房的量联系起来。他的团队的解剖学正确的计算机模型考虑了患者特定的乳房形状和组织分布，使他们能够测试传感器放置和组织变化如何影响读数。
“我们的模拟结果与实验和人体临床研究的趋势相匹配，”阿维拉说。“将我们的模型与现实世界的影响结合起来一直是亮点，而这只有通过实验、建模和临床团队之间的合作才能实现。”
个性化适应所有形状和大小
最终得到的设备是一个细长、柔软、易弯曲的电缆，轻轻地围绕在乳房的外周。轻柔贴附于皮肤的电极集成在电缆的两端。在电极之间的电缆中间，坐落着一个小而轻便的“基础站”，它也柔和地附着在皮肤上。基础站封装在一个柔软的硅胶外壳中，里面装有一个小型可充电电池、无线数据传输的蓝牙技术和一个内存芯片。
由于每位母亲的乳房密度、形状和大小各不相同，该设备可以通过一次校准进行个性化调整。为了校准系统，母亲在使用连接到带有体积标记的瓶子的乳泵时佩戴该设备。这使用户能够准确知道在特定时间段内挤出多少乳汁。同时，设备在整个抽奶过程中记录乳房的电气特性。这个校准方案教会设备如何解读每位特定母亲的电信号变化。
在开发原型后，团队在12位母乳喂养的母亲身上测试了该设备——包括在NICU和家庭中。为了评估设备是否随着时间的推移而保持一致和可靠，研究人员对同一位母亲进行了多次测量，时间跨度长达17周。
在这第一阶段的测试中，母亲在抽奶时佩戴传感器，因为这个重要步骤需要准确知道母亲表达了多少乳汁。在一次测试中，研究人员将设备的数据与婴儿在母乳喂养前后的体重差进行比较。总体而言，在抽奶期间，瓶子里的量与传感器检测到的量之间的结果惊人地相似。
改善NICU护理
虽然该设备会为所有父母提供安慰和有用的信息，罗宾逊和威克斯表示NICU婴儿会从细致的监测中受益最大。确切知道NICU中的婴儿吃了多少比健康足月婴儿更为关键。
这些婴儿常常有精确的营养需求。例如，早产儿可能消化系统发育不全，使他们更容易出现喂养不耐受。精确的喂养量有助于减少发展肠道疾病和反流的风险。
“有些婴儿在一次喂养中只能进食一定数量，”威克斯说。“对于早产儿或正在恢复手术的婴儿，他们只能非常缓慢地摄入少量乳汁。往往我们不能允许他们母乳喂养，因为我们无法知道他们从母亲那里获得了多少乳汁。拥有一个传感器来监测这一点将使这些婴儿能够更成功地与母亲一起母乳喂养。”
未来方向
为了变得更用户友好，研究人员设想这项技术最终可以集成到如母乳喂养胸罩等舒适的内衣中。这将进一步增强设备的易用性和母亲的整体体验。
研究人员仍计划完成与哺乳前后的称重比较。团队还旨在确保该传感器适用于多种肤色的母亲。当前版本的设备检测流出乳房的乳汁量，而未来版本可以测量乳汁重新填充进入乳房。然后母亲可以跟踪乳汁生产的变化。团队还计划继续优化设备，以便获得更多洞察，如乳汁质量和脂肪含量。
“母乳喂养对于母亲来说可能是极其情感化的，部分原因在于对婴儿获得了多少乳汁的不确定性，”威克斯说。“这可能伴随着很多悲伤，因为母亲感到焦虑，觉得自己做得不够好。往往母亲会经历焦虑、沮丧或抑郁的症状，完全放弃母乳喂养。
“有许多因素使母乳喂养变得困难。能够消除一个不确定性，并能帮助她们放心她们生产出的乳汁足够，会真正帮助减少一些压力和焦虑。对于世界上所有的母亲——无论她们处于母乳喂养旅程的哪个阶段——这个设备将极为有用。我们期待将其带给更多人。”
