近日，美國(guó)西北大學(xué)John A. Rogers團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)文對(duì)皮膚傳感器應(yīng)用研究領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)評(píng)述。文中認(rèn)為隨著皮膚傳感器的應(yīng)用研究不斷深入，相信在未來(lái)十年內(nèi),將會(huì)有越來(lái)越多的人將佩戴這種傳感器——收集的數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)生命體征、指標(biāo)異常和跟蹤治療。

?《Nature》評(píng)論：健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)鍵——皮膚傳感器

皮膚傳感器的廣泛應(yīng)用將會(huì)使得更多的醫(yī)療健康問(wèn)題將被提前監(jiān)測(cè)預(yù)警，使衛(wèi)生保健更具預(yù)測(cè)性、安全性和效率。即使病人身處家中，醫(yī)生也可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病人的康復(fù)情況,并在病人病情惡化時(shí)及時(shí)干預(yù)。此外，流行疫情爆發(fā)也將會(huì)被迅速跟蹤監(jiān)測(cè),使相關(guān)部門(mén)能夠迅速調(diào)動(dòng)資源,查明易感群體,并監(jiān)測(cè)所發(fā)放藥物的安全性和有效性。

第一代生物集成傳感器可以監(jiān)測(cè)生物物理信號(hào),如心律、呼吸、溫度和運(yùn)動(dòng)。更先進(jìn)的傳感器正在噴薄而出,有些可以監(jiān)測(cè)某些生物標(biāo)志物(如葡萄糖)以及吞咽和言語(yǔ)等行為。一些商品化的傳感器也在逐漸應(yīng)用到臨床實(shí)踐中。如一次性 Zio 貼片可連續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)自心臟的電脈沖 14 天,這比間歇性去醫(yī)院檢測(cè)異常指標(biāo)方面更有效。但它是體積較大且是臨時(shí)性的,數(shù)據(jù)也必須在使用后下載,而不是實(shí)時(shí)傳輸。

?《Nature》評(píng)論：健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)鍵——皮膚傳感器

連續(xù)14天監(jiān)測(cè)心率

由此，John A. Rogers實(shí)驗(yàn)室更先進(jìn)的傳感器正在伊利諾斯州芝加哥進(jìn)行臨床試驗(yàn)。它擁有更靈活輕巧的心率、呼吸和溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù),且足夠柔軟,可以放在早產(chǎn)兒的胸部,而不會(huì)損害他們脆弱的皮膚。護(hù)士、醫(yī)生或家長(zhǎng)在想抱孩子時(shí),不需要斷開(kāi)電線(xiàn)。類(lèi)似的系統(tǒng)也可能應(yīng)用到截肢人群的假肢之間的界面。

?《Nature》評(píng)論：健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)鍵——皮膚傳感器

超柔軟皮膚傳感器用于監(jiān)測(cè)新生兒生命體征

存在的挑戰(zhàn)

要使可穿戴式傳感器更加廣泛應(yīng)用,仍必須克服諸多挑戰(zhàn)。材料、設(shè)備和電路設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新必須使柔軟生物傳感器更小、更薄、更輕、更節(jié)能。測(cè)量的準(zhǔn)確度、精密度和范圍必須提高。同時(shí)監(jiān)測(cè)、成本、可靠性和數(shù)據(jù)安全性也都需要關(guān)注。

生物標(biāo)志物。生物理化特征,一些設(shè)備很難不通過(guò)插入皮膚收集液體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。而檢測(cè)汗液中的化學(xué)物質(zhì)是一種很有前途的替代方法。汗水包含許多與細(xì)胞健康和器官功能(如電解質(zhì))、免疫系統(tǒng)(細(xì)胞因子)和藥物相互作用(代謝物)有關(guān)的指標(biāo)。量化汗液中的蛋白質(zhì)和激素水平將進(jìn)一步提高這些傳感器的適用性。而為了汗水不受到污染或降解,還需要新的化學(xué)檢測(cè)方法和檢測(cè)類(lèi)型。

設(shè)備工具。電子設(shè)備成像和光譜功能將對(duì)身體進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。如光學(xué)相干斷層掃描、共聚焦顯微鏡、拉曼光譜和雙光子激發(fā)顯微鏡。如果這些設(shè)備可以小型化,它們可以診斷皮膚腫瘤,而無(wú)需活檢樣本或手術(shù)。而它們目前仍然昂貴,笨重和有線(xiàn)。

療法。創(chuàng)造皮膚感覺(jué)的界面。藥物可以通過(guò)皮膚貼片提供, 釋放可以通過(guò)電、聲或熱方式觸發(fā)。傳感器還可以提供電刺激或熱刺激,以治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病或調(diào)節(jié)疼痛。例如已經(jīng)用于頭暈性疾病(東莨菪堿)、疼痛(芬太尼)、避孕(諾孕酮和炔雌醇)和高血壓(可樂(lè)寧)。

植入物。軟傳感器系統(tǒng)可在體內(nèi)使用。實(shí)際挑戰(zhàn)包括開(kāi)發(fā)生物相容性材料和制造超薄層以保護(hù)電子器件數(shù)年或數(shù)十年正常工作。一些可能在完成工作后無(wú)害降解，就像傷口愈合一樣。一個(gè)輕薄,靈活的植入物可以包裹在心臟或脊柱上用以監(jiān)測(cè)和工作。這種傳感器已經(jīng)在小鼠、奶牛和非人類(lèi)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物追蹤大腦腦電波活動(dòng)測(cè)試中得到很好的演示。

材料和設(shè)計(jì)。要使佩戴者對(duì)設(shè)備不敏感,仍需做一些工作。如今大部分還是超薄的硅電子器件，以后有機(jī)聚合物可用來(lái)制備自修復(fù)的生物傳感器，且可以賦予更多功能化，如抗菌，自修復(fù)，控制顏色變化等，而能量可以從身體運(yùn)動(dòng)或熱量或血流的變化中獲取,而非從電池中獲取。

數(shù)據(jù)。傳感器的組合需要設(shè)計(jì)為適合特定的條件。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,傳感器應(yīng)放置在身體的最佳位置以收集信息、濾掉噪音；還需決策是否根據(jù)需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆苹蛱幚砥渲胁糠謹(jǐn)?shù)據(jù)，且將關(guān)鍵的參數(shù)和數(shù)據(jù)提取出以發(fā)出預(yù)警。例如，對(duì)于帕金森病,手上的單個(gè)傳感器足以檢測(cè)震顫，但是,在中風(fēng)患者中,需要描述他們的腳在行走時(shí)困難程度、吞咽力或睡眠質(zhì)量需要額外的傳感器監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)輸出——從感應(yīng)器、陀螺儀、微流體傳感器和心電圖和肌動(dòng)電流描記器 (分別測(cè)量心臟和肌肉中的電活動(dòng))。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,這些傳感器應(yīng)放置在身體的最佳位置以收集信息，如心電圖信號(hào)應(yīng)記錄在胸部,而不是手腕上。

數(shù)據(jù)說(shuō)明。需要開(kāi)發(fā)數(shù)字儀表板,使醫(yī)生和患者能夠跟蹤輸出數(shù)據(jù)、記錄變化并做出臨床決策。例如預(yù)測(cè)患者出院時(shí)間或在沒(méi)有幫助的情況下能夠安全地行走或自理需要多久。長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)將有助于醫(yī)生評(píng)估中風(fēng)恢復(fù)、帕金森病和其他疾病的演變。

習(xí)性。需要更多地了解患者在日常生活中如何使用生物傳感器。根據(jù)人們的生活習(xí)慣以及運(yùn)動(dòng)狀況，傳感器仍應(yīng)保持舒適、輕便小巧,并與皮膚保持良好接觸。例如人們需要長(zhǎng)時(shí)間的佩戴，甚至需要在運(yùn)動(dòng)、洗澡等行為過(guò)程中使用，因此需要保證傳感器應(yīng)適應(yīng)人們的生活習(xí)性，使之更加舒適、輕便、小巧、有效。

臨床實(shí)踐

為了加快這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入臨床,生物傳感器必須滿(mǎn)足的針對(duì)性的醫(yī)療需求,實(shí)時(shí)對(duì)生命體征和各項(xiàng)生命理化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使得醫(yī)生得到更早的判斷和預(yù)見(jiàn)。如家庭心理健康監(jiān)測(cè)。同時(shí)生命體征和神經(jīng)內(nèi)分泌、神經(jīng)藥物和炎癥生物標(biāo)志物的變化監(jiān)測(cè)可能帶給臨床醫(yī)生目前無(wú)法得到的一些新的理解。社會(huì)孤獨(dú)殘弱人群也會(huì)被早期監(jiān)測(cè)所預(yù)警親朋提前干預(yù)照顧。

在基礎(chǔ)設(shè)施缺乏的國(guó)家，無(wú)線(xiàn)健康監(jiān)測(cè)可能給他們的醫(yī)療保健工作帶來(lái)革命性變化。課題組與比爾和梅林達(dá)·蓋茨基金會(huì)和拯救兒童組織合作,今年將在幾個(gè)非洲國(guó)家,包括贊比亞、肯尼亞和南非的婦產(chǎn)診所試用團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的生物傳感器。這些貼片將跟蹤生理數(shù)據(jù),如在懷孕期間婦女及其嬰兒的體力活動(dòng)、血壓和呼吸速率,并預(yù)警胎兒缺氧或即將出血等并發(fā)癥。

將這些技術(shù)應(yīng)用到患者還將需要在三個(gè)方面采取措施:審批、監(jiān)管和數(shù)據(jù)保護(hù)。

監(jiān)管審批至關(guān)重要，軟件應(yīng)用程序應(yīng)受到監(jiān)管。隨著設(shè)備、數(shù)據(jù)、軟件和治療之間交叉,相應(yīng)法規(guī)必須迅速跟上。數(shù)據(jù)安全必須成為重中之重,尤其是對(duì)于患者信息保護(hù)。同時(shí)也是確保商業(yè)化的合理競(jìng)爭(zhēng)、安全有效進(jìn)行

任重道遠(yuǎn)

技術(shù)進(jìn)步需要材料和設(shè)備工程師、數(shù)據(jù)科學(xué)家和醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員之間的密切合作，用戶(hù)和護(hù)理人員需要更密切地參與。同時(shí)來(lái)自政府、企業(yè)投資和慈善基金會(huì)的跨學(xué)科資金對(duì)于在設(shè)備商業(yè)化之前統(tǒng)計(jì)概念驗(yàn)證數(shù)據(jù)至關(guān)重要。公司需改進(jìn)設(shè)備的制造流程，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化生產(chǎn)程序，提高產(chǎn)量，確保質(zhì)量和降低成本。

總之，這項(xiàng)工作是非常值得的——生物集成傳感器有可能改變醫(yī)療的方方面面。