研究人员创造了一种创新智能口罩的原型，旨在跟踪各种健康状况，特别是哮喘、COPD（慢性阻塞性肺病）和感染 COVID-19 后的并发症等呼吸问题。
可穿戴健康设备变得越来越受欢迎。从智能手表到健康追踪贴片，这些先进的小工具可以监测心脏功能和炎症水平等方面，使患者能够方便地从家中管理他们的健康。现在，这一趋势又有了新的进展：一种复杂的纸质口罩可以跟踪呼吸模式。
加州理工学院医学工程教授魏高及其研究团队开发了一种智能口罩，可以评估多种健康状况，特别是哮喘、COPD以及COVID-19后并发症等呼吸问题。与现有跟踪温度、湿度或呼吸频率变化的智能口罩不同，这种名为EBCare的口罩可以实时分析呼气的化学成分。”EBC”代表”呼气冷凝物”，例如，该口罩可以检测哮喘患者的亚硝酸盐水平，表明气道炎症。
“呼吸分析是评估哮喘等疾病的标准做法，但通常需要到诊所进行样本采集并等待实验室结果，”魏高解释道，他是发表在《科学》杂志上的一项新研究的主要研究人员。“随着因COVID-19而增加的口罩使用，我们可以利用这一趋势进行远程健康监测，从家中或工作场所舒适地提供实时健康反馈。这些数据可以帮助评估医疗治疗的有效性。”
魏高同时也是遗产医学研究所的成员，并担任罗纳德和乔安娜·威伦斯学者。他之前创建了多种可穿戴生物传感器，分析汗液中的代谢物、营养素、激素和蛋白质。这次，他的重点是监测呼吸，这带来了独特的挑战。
为了有效分析某人的呼吸中的化学物质，首先需要将其冷却并转化为液体。通常，这种冷却过程在临床环境中是通过冰块或大型冰箱分开进行的。然而，魏高的口罩采用了自冷却机制。它使用一种被动系统结合水凝胶蒸发和辐射冷却来冷却呼吸，使用户佩戴口罩时可以高效地降温。
“这种口罩标志着在通过每日使用的口罩收集呼气样本和实时化学分析方面，管理呼吸和代谢疾病以及个性化医疗的突破，”该研究的首席作者、加州理工学院研究生亨温正表示。“呼气冷凝物包括可溶气体和气溶胶或液滴形式的非挥发性化合物——包括代谢标志物、炎症信号和病原体。”
一旦呼气液化，液体将通过一系列毛细管——受自然启发的设备——流向传感器进行分析。“我们从植物中学到了这一点，植物利用毛细作用将水从地下吸上来，”魏高指出。
分析结果随后通过无线方式发送到智能手机、平板电脑或计算机。“这种智能口罩可以以低成本生产，”魏高补充道。“所需材料的估计成本约为1美元。”
为了评估这些口罩，研究团队进行了涉及人类参与者的研究，主要集中在有哮喘或COPD的个体身上。他们特别检查了亚硝酸盐水平，作为这些疾病中的炎症生物标志物，发现口罩有效地识别了这一生物标志物。
在另一项研究中，研究团队验证了口罩能够准确检测参与者的血液酒精水平，这表明在监测酒精消费或进行路边酒精测试方面的潜在应用。
研究人员还探讨了口罩如何评估血尿素水平，以帮助管理肾病。随着肾功能下降，像尿素这样的废物在血流中积累，随后导致呼气冷凝物中的氨水平升高。新研究发现智能口罩能够可靠地检测这些氨水平，并与血液尿素水平密切相关。
“这些初步发现为概念证明提供了证据，”魏高表示。“我们旨在扩展这一技术，以包括与不同健康状况相关的各种标志物，为一种多功能健康监测口罩奠定基础。”
参与者对于口罩的舒适度表示积极的体验，包括那些已有呼吸困难的人。
“智能口罩用于收集和分析呼气冷凝物标志着实时肺健康监测的重要进展，”共同作者哈里·罗斯特表示，他是哈佛-UCLA医学院生物医学创新研究所的研究员，同时也是加州大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院的教授。“这一概念凸显了智能口罩在健康监测和诊断中的变革潜力，尤其是将来有可能集成能够检测广泛化合物的生物传感器。”
这项名为《用于呼气冷凝物收集和分析的智能口罩》的研究得到了美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、烟草相关疾病研究计划以及美国陆军医学研究采购活动的资助。其他来自加州理工学院的贡献者包括研究生殷淑坤（Kevin）、王灿然、韩红、李家洪和博士后闵志洪，以及前博士后Ehsan Shirzaei Sani和宋宇。
