Nature評論：健康監測、遠程醫療的關鍵——皮膚傳感器

　　近日，美國西北大學John A. Rogers團隊在國際頂級期刊發文對皮膚傳感器應用研究領域進行相關評述。文中認為隨著皮膚傳感器的應用研究不斷深入，相信在未來十年內,將會有越來越多的人將佩戴這種傳感器——收集的數據以監測生命體征、指標異常和跟蹤治療。

　　皮膚傳感器的廣泛應用將會使得更多的醫療健康問題將被提前監測預警，使衛生保健更具預測性、安全性和效率。即使病人身處家中，醫生也可以通過遠程監測病人的康復情況,并在病人病情惡化時及時干預。此外，流行疫情爆發也將會被迅速跟蹤監測,使相關部門能夠迅速調動資源,查明易感群體,并監測所發放藥物的安全性和有效性。

　　第一代生物集成傳感器可以監測生物物理信號,如心律、呼吸、溫度和運動。更先進的傳感器正在噴薄而出,有些可以監測某些生物標志物(如葡萄糖)以及吞咽和言語等行為。一些商品化的傳感器也在逐漸應用到臨床實踐中。如一次性 Zio 貼片可連續監測來自心臟的電脈沖 14 天,這比間歇性去醫院檢測異常指標方面更有效。但它是體積較大且是臨時性的,數據也必須在使用后下載,而不是實時傳輸。

連續14天監測心率

　　由此，John A. Rogers實驗室更先進的傳感器正在伊利諾斯州芝加哥進行臨床試驗。它擁有更靈活輕巧的心率、呼吸和溫度傳感器網絡，可以無線傳輸數據,且足夠柔軟,可以放在早產兒的胸部,而不會損害他們脆弱的皮膚。護士、醫生或家長在想抱孩子時,不需要斷開電線。類似的系統也可能應用到截肢人群的假肢之間的界面。

超柔軟皮膚傳感器用于監測新生兒生命體征

　　存在的挑戰

　　要使可穿戴式傳感器更加廣泛應用,仍必須克服諸多挑戰。材料、設備和電路設計方面的創新必須使柔軟生物傳感器更小、更薄、更輕、更節能。測量的準確度、精密度和范圍必須提高。同時監測、成本、可靠性和數據安全性也都需要關注。

　　生物標志物。生物理化特征,一些設備很難不通過插入皮膚收集液體進行數據采集。而檢測汗液中的化學物質是一種很有前途的替代方法。汗水包含許多與細胞健康和器官功能(如電解質)、免疫系統(細胞因子)和藥物相互作用(代謝物)有關的指標。量化汗液中的蛋白質和激素水平將進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,還需要新的化學檢測方法和檢測類型。

　　設備工具。電子設備成像和光譜功能將對身體進行實時評估。如光學相干斷層掃描、共聚焦顯微鏡、拉曼光譜和雙光子激發顯微鏡。如果這些設備可以小型化,它們可以診斷皮膚腫瘤,而無需活檢樣本或手術。而它們目前仍然昂貴,笨重和有線。

　　療法。創造皮膚感覺的界面。藥物可以通過皮膚貼片提供, 釋放可以通過電、聲或熱方式觸發。傳感器還可以提供電刺激或熱刺激,以治療神經系統疾病或調節疼痛。例如已經用于頭暈性疾病(東莨菪堿)、疼痛(芬太尼)、避孕(諾孕酮和炔雌醇)和高血壓(可樂寧)。

　　植入物。軟傳感器系統可在體內使用。實際挑戰包括開發生物相容性材料和制造超薄層以保護電子器件數年或數十年正常工作。一些可能在完成工作后無害降解，就像傷口愈合一樣。一個輕薄,靈活的植入物可以包裹在心臟或脊柱上用以監測和工作。這種傳感器已經在小鼠、奶牛和非人類靈長類動物追蹤大腦腦電波活動測試中得到很好的演示。

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

　　數據。傳感器的組合需要設計為適合特定的條件。為了提高數據質量,傳感器應放置在身體的最佳位置以收集信息、濾掉噪音；還需決策是否根據需要將數據傳輸到云或處理其中部分數據，且將關鍵的參數和數據提取出以發出預警。例如，對于帕金森病,手上的單個傳感器足以檢測震顫，但是,在中風患者中,需要描述他們的腳在行走時困難程度、吞咽力或睡眠質量需要額外的傳感器監測和數據輸出——從感應器、陀螺儀、微流體傳感器和心電圖和肌動電流描記器 (分別測量心臟和肌肉中的電活動)。為了提高數據質量,這些傳感器應放置在身體的最佳位置以收集信息，如心電圖信號應記錄在胸部,而不是手腕上。

　　數據說明。需要開發數字儀表板,使醫生和患者能夠跟蹤輸出數據、記錄變化并做出臨床決策。例如預測患者出院時間或在沒有幫助的情況下能夠安全地行走或自理需要多久。長期跟蹤監測將有助于醫生評估中風恢復、帕金森病和其他疾病的演變。

　　習性。需要更多地了解患者在日常生活中如何使用生物傳感器。根據人們的生活習慣以及運動狀況，傳感器仍應保持舒適、輕便小巧,并與皮膚保持良好接觸。例如人們需要長時間的佩戴，甚至需要在運動、洗澡等行為過程中使用，因此需要保證傳感器應適應人們的生活習性，使之更加舒適、輕便、小巧、有效。

　　臨床實踐

　　為了加快這項技術進入臨床,生物傳感器必須滿足的針對性的醫療需求,實時對生命體征和各項生命理化數據進行監測，使得醫生得到更早的判斷和預見。如家庭心理健康監測。同時生命體征和神經內分泌、神經藥物和炎癥生物標志物的變化監測可能帶給臨床醫生目前無法得到的一些新的理解。社會孤獨殘弱人群也會被早期監測所預警親朋提前干預照顧。

　　在基礎設施缺乏的國家，無線健康監測可能給他們的醫療保健工作帶來革命性變化。課題組與比爾和梅林達·蓋茨基金會和拯救兒童組織合作,今年將在幾個非洲國家,包括贊比亞、肯尼亞和南非的婦產診所試用團隊開發的生物傳感器。這些貼片將跟蹤生理數據,如在懷孕期間婦女及其嬰兒的體力活動、血壓和呼吸速率,并預警胎兒缺氧或即將出血等并發癥。

　　將這些技術應用到患者還將需要在三個方面采取措施:審批、監管和數據保護。

　　監管審批至關重要，軟件應用程序應受到監管。隨著設備、數據、軟件和治療之間交叉,相應法規必須迅速跟上。數據安全必須成為重中之重,尤其是對于患者信息保護。同時也是確保商業化的合理競爭、安全有效進行

　　任重道遠

　　技術進步需要材料和設備工程師、數據科學家和醫療專業人員之間的密切合作，用戶和護理人員需要更密切地參與。同時來自政府、企業投資和慈善基金會的跨學科資金對于在設備商業化之前統計概念驗證數據至關重要。公司需改進設備的制造流程，開發自動化生產程序，提高產量，確保質量和降低成本。

　　總之，這項工作是非常值得的——生物集成傳感器有可能改變醫療的方方面面。