皮膚傳感器的廣泛應(yīng)用將會使得更多的醫(yī)療健康問題將被提前監(jiān)測預(yù)警，使衛(wèi)生保健更具預(yù)測性、安全性和效率。即使病人身處家中，醫(yī)生也可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)測病人的康復(fù)情況,并在病人病情惡化時及時干預(yù)。此外，流行疫情爆發(fā)也將會被迅速跟蹤監(jiān)測,使相關(guān)部門能夠迅速調(diào)動資源,查明易感群體,并監(jiān)測所發(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)測生物物理信號,如心律、呼吸、溫度和運(yùn)動。更先進(jìn)的傳感器正在噴薄而出,有些可以監(jiān)測某些生物標(biāo)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(yīng)用到臨床實踐中。如一次性 Zio 貼片可連續(xù)監(jiān)測來自心臟的電脈沖 14 天,這比間歇性去醫(yī)院檢測異常指標(biāo)方面更有效。但它是體積較大且是臨時性的,數(shù)據(jù)也必須在使用后下載,而不是實時傳輸。

連續(xù)14天監(jiān)測心率

由此，John A. Rogers實驗室更先進(jìn)的傳感器正在伊利諾斯州芝加哥進(jìn)行臨床試驗。它擁有更靈活輕巧的心率、呼吸和溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以無線傳輸數(shù)據(jù),且足夠柔軟,可以放在早產(chǎn)兒的胸部,而不會損害他們脆弱的皮膚。護(hù)士、醫(yī)生或家長在想抱孩子時,不需要斷開電線。類似的系統(tǒng)也可能應(yīng)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(jiān)測新生兒生命體征

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。測量的準(zhǔn)確度、精密度和范圍必須提高。同時監(jiān)測、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)備很難不通過插入皮膚收集液體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。而檢測汗液中的化學(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)檢測方法和檢測類型。

設(shè)備工具。電子設(shè)備成像和光譜功能將對身體進(jìn)行實時評估。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,而無需活檢樣本或手術(shù)。而它們目前仍然昂貴,笨重和有線。

療法。創(chuàng)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(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(可樂寧)。

植入物。軟傳感器系統(tǒng)可在體內(nèi)使用。實際挑戰(zhàn)包括開發(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(jiān)測和工作。這種傳感器已經(jīng)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(shè)計。要使佩戴者對設(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，對于帕金森病,手上的單個傳感器足以檢測震顫，但是,在中風(fēng)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(zhì)量需要額外的傳感器監(jiān)測和數(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電流描記器 (分別測量心臟和肌肉中的電活動)。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，如心電圖信號應(yīng)記錄在胸部,而不是手腕上。

數(shù)據(jù)說明。需要開發(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(jiān)測將有助于醫(yī)生評估中風(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。例如人們需要長時間的佩戴，甚至需要在運(yùn)動、洗澡等行為過程中使用，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。

臨床實踐

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

在基礎(chǔ)設(shè)施缺乏的國家，無線健康監(jiān)測可能給他們的醫(yī)療保健工作帶來革命性變化。課題組與比爾和梅林達(dá)·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(chǎn)診所試用團(tuán)隊開發(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、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,尤其是對于患者信息保護(hù)。同時也是確保商業(yè)化的合理競爭、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)療專業(yè)人員之間的密切合作，用戶和護(hù)理人員需要更密切地參與。同時來自政府、企業(yè)投資和慈善基金會的跨學(xué)科資金對于在設(shè)備商業(yè)化之前統(tǒng)計概念驗證數(shù)據(jù)至關(guān)重要。公司需改進(jìn)設(shè)備的制造流程，開發(fā)自動化生產(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。