《Nature》评论：健康监测、远程医疗的关键——皮肤传感器

来源：两江科技评论

近日，美国西北大学John A. Rogers团队在国际顶级期刊发文对皮肤传感器应用研究领域进行相关评述。文中认为随着皮肤传感器的应用研究不断深入，相信在未来十年内,将会有越来越多的人将佩戴这种传感器——收集的数据以监测生命体征、指标异常和跟踪治疗。

皮肤传感器的广泛应用将会使得更多的医疗健康问题将被提前监测预警，使卫生保健更具预测性、安全性和效率。即使病人身处家中，医生也可以通过远程监测病人的康复情况,并在病人病情恶化时及时干预。此外，流行疫情爆发也将会被迅速跟踪监测,使相关部门能够迅速调动资源,查明易感群体,并监测所发放药物的安全性和有效性。

第一代生物集成传感器可以监测生物物理信号,如心律、呼吸、温度和运动。更先进的传感器正在喷薄而出,有些可以监测某些生物标志物(如葡萄糖)以及吞咽和言语等行为。一些商品化的传感器也在逐渐应用到临床实践中。如一次性 Zio 贴片可连续监测来自心脏的电脉冲 14 天,这比间歇性去医院检测异常指标方面更有效。但它是体积较大且是临时性的,数据也必须在使用后下载,而不是实时传输。

连续14天监测心率

由此，John A. Rogers实验室更先进的传感器正在伊利诺斯州芝加哥进行临床试验。它拥有更灵活轻巧的心率、呼吸和温度传感器网络，可以无线传输数据,且足够柔软,可以放在早产儿的胸部,而不会损害他们脆弱的皮肤。护士、医生或家长在想抱孩子时,不需要断开电线。类似的系统也可能应用到截肢人群的假肢之间的界面。

超柔软皮肤传感器用于监测新生儿生命体征

要使可穿戴式传感器更加广泛应用,仍必须克服诸多挑战。材料、设备和电路设计方面的创新必须使柔软生物传感器更小、更薄、更轻、更节能。测量的准确度、精密度和范围必须提高。同时监测、成本、可靠性和数据安全性也都需要关注。

1.生物标志物。生物理化特征,一些设备很难不通过插入皮肤收集液体进行数据采集。而检测汗液中的化学物质是一种很有前途的替代方法。汗水包含许多与细胞健康和器官功能(如电解质)、免疫系统(细胞因子)和药物相互作用(代谢物)有关的指标。量化汗液中的蛋白质和激素水平将进一步提高这些传感器的适用性。而为了汗水不受到污染或降解,还需要新的化学检测方法和检测类型。

2.设备工具。电子设备成像和光谱功能将对身体进行实时评估。如光学相干断层扫描、共聚焦显微镜、拉曼光谱和双光子激发显微镜。如果这些设备可以小型化,它们可以诊断皮肤肿瘤,而无需活检样本或手术。而它们目前仍然昂贵,笨重和有线。

3.物理疗法。创造皮肤感觉的界面。药物可以通过皮肤贴片提供, 释放可以通过电、声或热方式触发。传感器还可以提供电刺激或热刺激,以治疗神经系统疾病或调节疼痛。例如已经用于头晕性疾病(东莨菪碱)、疼痛(芬太尼)、避孕(诺孕酮和炔雌醇)和高血压(可乐宁)。

4.植入物。软传感器系统可在体内使用。实际挑战包括开发生物相容性材料和制造超薄层以保护电子器件数年或数十年正常工作。一些可能在完成工作后无害降解，就像伤口愈合一样。一个轻薄,灵活的植入物可以包裹在心脏或脊柱上用以监测和工作。这种传感器已经在小鼠、奶牛和非人类灵长类动物追踪大脑脑电波活动测试中得到很好的演示。

5.材料和设计。要使佩戴者对设备不敏感,仍需做一些工作。如今大部分还是超薄的硅电子器件，以后有机聚合物可用来制备自修复的生物传感器，且可以赋予更多功能化，如抗菌，自修复，控制颜色变化等，而能量可以从身体运动或热量或血流的变化中获取,而非从电池中获取。

6.数据。传感器的组合需要设计为适合特定的条件。为了提高数据质量,传感器应放置在身体的最佳位置以收集信息、滤掉噪音；还需决策是否根据需要将数据传输到云或处理其中部分数据，且将关键的参数和数据提取出以发出预警。例如，对于帕金森病,手上的单个传感器足以检测震颤，但是,在中风患者中,需要描述他们的脚在行走时困难程度、吞咽力或睡眠质量需要额外的传感器监测和数据输出——从感应器、陀螺仪、微流体传感器和心电图和肌动电流描记器 (分别测量心脏和肌肉中的电活动)。为了提高数据质量,这些传感器应放置在身体的最佳位置以收集信息，如心电图信号应记录在胸部,而不是手腕上。

7.数据说明。需要开发数字仪表板,使医生和患者能够跟踪输出数据、记录变化并做出临床决策。例如预测患者出院时间或在没有帮助的情况下能够安全地行走或自理需要多久。长期跟踪监测将有助于医生评估中风恢复、帕金森病和其他疾病的演变。

8.习性。需要更多地了解患者在日常生活中如何使用生物传感器。根据人们的生活习惯以及运动状况，传感器仍应保持舒适、轻便小巧,并与皮肤保持良好接触。例如人们需要长时间的佩戴，甚至需要在运动、洗澡等行为过程中使用，因此需要保证传感器应适应人们的生活习性，使之更加舒适、轻便、小巧、有效。

为了加快这项技术进入临床,生物传感器必须满足的针对性的医疗需求,实时对生命体征和各项生命理化数据进行监测，使得医生得到更早的判断和预见。如家庭心理健康监测。同时生命体征和神经内分泌、神经药物和炎症生物标志物的变化监测可能带给临床医生目前无法得到的一些新的理解。社会孤独残弱人群也会被早期监测所预警亲朋提前干预照顾。

在基础设施缺乏的国家，无线健康监测可能给他们的医疗保健工作带来革命性变化。课题组与比尔和梅林达·盖茨基金会和拯救儿童组织合作,今年将在几个非洲国家,包括赞比亚、肯尼亚和南非的妇产诊所试用团队开发的生物传感器。这些贴片将跟踪生理数据,如在怀孕期间妇女及其婴儿的体力活动、血压和呼吸速率,并预警胎儿缺氧或即将出血等并发症。

将这些技术应用到患者还将需要在三个方面采取措施:审批、监管和数据保护。监管审批至关重要，软件应用程序应受到监管。随着设备、数据、软件和治疗之间交叉,相应法规必须迅速跟上。数据安全必须成为重中之重,尤其是对于患者信息保护，同时也是确保商业化实现合理竞争，安全有效地进行。

技术进步需要材料和设备工程师、数据科学家和医疗专业人员之间的密切合作，用户和护理人员需要更密切地参与。同时来自政府、企业投资和慈善基金会的跨学科资金对于在设备商业化之前统计概念验证数据至关重要。公司需改进设备的制造流程，开发自动化生产程序，提高产量，确保质量和降低成本。

总之，这项工作是非常值得的——生物集成传感器有可能改变医疗的方方面面。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02143-0