可以粘在皮膚上的薄而柔軟的電子系統(tǒng)正在開始改變醫(yī)療領(lǐng)域。僅在神經(jīng)病學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)十項試驗中就部署了數(shù)百萬個早期版本的傳感器、計算機和變送器，它們被編織成柔性薄膜、貼片、繃帶，并且數(shù)量在迅速增長。在十年之內(nèi)，許多人將一直佩戴此類傳感器。他們收集的數(shù)據(jù)將被輸入到機器學(xué)習(xí)算法中，以監(jiān)測生命體征、發(fā)現(xiàn)指標異常并跟蹤治療。
醫(yī)療方面的問題將能較早地被發(fā)現(xiàn)。當病人在家時，醫(yī)生將遠程監(jiān)控病人的康復(fù)情況，并在病情惡化時及時進行干預(yù)。疫情的高峰也將被迅速標記出來，使當?shù)卣軌蛘{(diào)動資源、識別易感人群并監(jiān)測所用藥物的安全性和有效性。所有這些將使醫(yī)療保健更具預(yù)測性、安全性和效率。
我們現(xiàn)在身處哪個階段？第一代生物集成傳感器可以跟蹤生物物理信號，例如心律、呼吸、溫度和運動。更先進的系統(tǒng)也正在出現(xiàn)，它們可以跟蹤某些生物標志物（例如葡萄糖）以及吞咽和言語等行為。
許多小型公司正在將可連續(xù)監(jiān)測臨床數(shù)據(jù)的柔軟的生物傳感器系統(tǒng)商業(yè)化。其中包括位于加利福尼亞州圣何塞的Vital Connect、加利福尼亞州舊金山的 iRhythm、馬薩諸塞州列克星敦市的MC10和伊利諾伊州埃文斯頓的Sibel Health。例如，iRhythm的一次性Zio貼片可以監(jiān)測心臟的電脈沖持續(xù)14天，并且相比間歇性的醫(yī)院檢查，Zio貼片能更有效地檢測到異常心律。但是它體積龐大，又是臨時的一次性使用，而且必須在使用之后下載數(shù)據(jù)，而不能實時傳輸。
iRhythm的一次性Zio貼片可以連續(xù)監(jiān)測心率達兩周，以監(jiān)控異常情況的出現(xiàn)（圖片版權(quán)屬于iRhythm Technologies）
John A. Rogers實驗室研究的更先進的傳感器正在伊利諾伊州芝加哥市進行臨床試驗。其中包括了更小的心率、呼吸和溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。它們可以無線傳輸數(shù)據(jù)，并且足夠柔軟，因而可以放置在早產(chǎn)兒的胸部，而不會損傷他們脆弱的皮膚6。當護士、醫(yī)生或父母想要觸碰孩子時，無需斷開重重電線。類似的系統(tǒng)也可以安置在截肢患者的假肢接受腔和假體之間的連接面上，以監(jiān)測此處的壓力和溫度。
為了使可穿戴傳感器適合更廣泛的使用場景，必須克服許多挑戰(zhàn)。我們需要結(jié)合材料、設(shè)備和電路設(shè)計等方面的創(chuàng)新，從而使柔性生物傳感器變得更小、更薄、更輕且耗電更少。測量的準確性、精度和范圍也必須提高。法規(guī)、成本、可用性和數(shù)據(jù)安全性更加需要引起業(yè)界的注意。
面對挑戰(zhàn)
我們需要從哪些方面開始行動？
1 生物標志物
迄今為止，所有獲得美國FDA批準的柔性傳感器系統(tǒng)都可以收集生物物理信號。但是有些生化特征如果不刺穿皮膚是很難收集到的，例如葡萄糖或激素水平。
一些新興設(shè)備通過將細絲插入皮膚來收集液體。檢測汗液中的化學(xué)物質(zhì)是一種有前途的選擇。汗液包含許多與細胞健康和器官功能（例如電解質(zhì)）、免疫系統(tǒng)（細胞因子）和藥物相互作用（代謝產(chǎn)物）有關(guān)的指標。業(yè)界正在開發(fā)可捕獲氯、葡萄糖、乳酸、尿素、肌酐、酒精、pH甚至重金屬的汗液傳感器。量化汗液中的蛋白質(zhì)和激素水平將進一步提高這些傳感器的適用性。
盡管如此，這些傳感器仍需要在收集和分析汗液的同時確保汗液不會被污染或降解，并且它們還將需要新的化學(xué)檢測方法和化驗類型。
2 工具
成像和光譜功能將允許對人體進行實時評估。例如光學(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。如果可以將此類系統(tǒng)小型化，則無需活檢樣本或手術(shù)就可以診斷皮膚腫瘤。它們目前仍然非常昂貴、笨重而且是有線的。
3 療法
能夠產(chǎn)生皮膚感覺（例如振動）的接觸面可能會增強康復(fù)能力，特別是通過言語和運動療法?？梢酝ㄟ^皮膚貼片來遞送藥物，它們已經(jīng)能用于治療暈車（東莨菪堿）、止痛（芬太尼）、避孕（諾孕酮和炔雌醇）和高血壓（可樂寧）?？梢酝ㄟ^電、聲或熱的方式來觸發(fā)藥物釋放。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。
4 植入物
可以在體內(nèi)使用柔性傳感器系統(tǒng)。將薄而柔軟的植入物包裹在心臟或脊柱周圍，以監(jiān)視和刺激心臟。一種跟蹤大腦腦電波活動的薄而靈活的傳感器的演示版本已經(jīng)在小鼠、牛和非人類靈長類動物中進行了測試。實際的挑戰(zhàn)包括開發(fā)生物相容性材料以及制造能夠保護電子設(shè)備持續(xù)數(shù)年或數(shù)十年時間的超薄層。一些貼片在完成任務(wù)后可能會像傷口愈合一樣無害地降解。
5 材料和設(shè)計
為了使佩戴者不易察覺這些設(shè)備的存在，我們還需要努力。如今的貼片通常將硅橡膠彈性體和超薄硅電子元器件結(jié)合在一起。將來，有機聚合物可用于制造能自我修復(fù)的生物傳感器。柔軟的材料將具有自己的功能，可能具有抗菌功能，或是在檢測到生化物質(zhì)時改變顏色。而能量則可以通過身體運動或熱量或血流的變化來獲取，而無需電池。
6 數(shù)據(jù)
需要對傳感器組合進行設(shè)計以符合某些條件。例如，對于帕金森病，手上的單個傳感器足以檢測震顫。但是，對于中風(fēng)的人來說，還需要額外的傳感器和數(shù)據(jù)輸出來表征步行時腳踩在地面的強度、吞咽的強度或睡眠時發(fā)出的聲音，例如加速度計、陀螺儀、微流控傳感器以及心電圖描記器和肌動電流描記器（分別測量心臟和肌肉的電活動）。
為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，這些傳感器應(yīng)放置在身體上的最佳位置以收集信息。例如，心電圖信號應(yīng)記錄在胸部而不是手腕上的信號。使用腳踝上的傳感器可以更好地評估步態(tài)。此外還需要過濾掉噪聲，并且需要決定是將所有數(shù)據(jù)流傳輸?shù)皆贫朔?wù)器還是在芯片上處理其中的某些數(shù)據(jù)，并僅傳輸關(guān)鍵參數(shù)或從基本數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息，以發(fā)出警告或通知。
7 解讀數(shù)據(jù)
需要開發(fā)數(shù)字儀表板，從而讓醫(yī)生和患者能夠跟蹤輸出的數(shù)據(jù)、記錄變化并做出臨床決策。需要改進機器學(xué)習(xí)模型，例如預(yù)測患者還有多久才能出院或在沒有幫助的情況下能夠安全行走或自行進食。在家中或護理機構(gòu)中進行長期監(jiān)測將有助于醫(yī)生評估中風(fēng)的恢復(fù)程度、帕金森病和其他疾病的進展情況。
8 行為
我們還需要了解更多關(guān)于患者如何在日常生活中使用生物傳感器的信息。如果人們要佩戴這些設(shè)備持續(xù)數(shù)周或數(shù)月，則貼片必須看起來可以讓人們接受，并且在理想情況下具有吸引力。它們應(yīng)該佩戴舒適，并在洗漱或鍛煉期間仍能保持與皮膚的良好接觸。盡管現(xiàn)在有些傳感器小到可以貼在指甲上，并且足夠薄，從而不會透過衣服顯露出來，但它們?nèi)孕枰兊酶?、更薄?/span>
在新生兒重癥監(jiān)護室中，將足夠柔軟的皮膚傳感器用于早產(chǎn)兒的皮膚上，可以監(jiān)測他們的生命體征（圖片版權(quán)屬于J. Rogers/西北大學(xué)）
臨床實踐
如果想將這些技術(shù)真正廣泛地用于患者，必須在三個方面采取行動：驗證、法規(guī)和數(shù)據(jù)保護。
為了加快其進入臨床的速度，柔性生物傳感器必須針對那些尚未滿足的醫(yī)療需求來開發(fā)，例如在家中進行心理健康監(jiān)測。對生命體征以及神經(jīng)內(nèi)分泌和炎癥生物標志物的變化進行監(jiān)測，可能會讓如今的臨床醫(yī)生獲得一些以前無法得到的信息和洞見。社會隔離和孤獨的一些跡象可能會提醒看護者及時來訪或讓親人打來電話。
在基礎(chǔ)設(shè)施較為缺乏的國家，無線的健康監(jiān)測可能將徹底改變當?shù)氐尼t(yī)療保健系統(tǒng)。今年晚些時候，我們將與非營利組織比爾和梅琳達·蓋茨基金會（Bill & Melinda Gates Foundation）和救助兒童組織（Save the Children）合作，在包括贊比亞、肯尼亞和南非在內(nèi)的幾個非洲國家的產(chǎn)科診所試用我們的生物傳感器。這些貼片將跟蹤孕婦及其胎兒在懷孕期間的生理數(shù)據(jù)，例如身體活動、血壓和呼吸頻率，警告并發(fā)癥的發(fā)生，例如胎兒缺氧或即將發(fā)生的出血。
監(jiān)管批準是至關(guān)重要的，并且通常情況下很難獲得批準。在很大程度上硬件能被現(xiàn)有框架所覆蓋；但算法不是。不過仍然有令人鼓舞的跡象表明可以對軟件應(yīng)用程序進行監(jiān)管。在過去的幾年中，F(xiàn)DA已批準用于診斷糖尿病性視網(wǎng)膜病的機器學(xué)習(xí)技術(shù)、首款具有嵌入式傳感器的數(shù)字化藥片（Abilify MyCite）和一種用于治療阿片類藥物使用障礙的應(yīng)用程序（reSET-O）。FDA的預(yù)認證計劃允許在正式評估之前部署某些來自受信任開發(fā)者的醫(yī)療軟件。
隨著設(shè)備、數(shù)據(jù)、軟件和治療方法之間的界限繼續(xù)融合，法規(guī)必須迅速適應(yīng)。應(yīng)該特別注意那些需求最高、風(fēng)險最小的臨床領(lǐng)域，如罕見病、兒科、女性健康和老年病學(xué)領(lǐng)域。
數(shù)據(jù)安全也極其重要，尤其是對于患者信息。尤其是隨著移動設(shè)備和可穿戴傳感器出現(xiàn)爆炸性增長之后，我們需要新的框架。患者必須擁有自己的數(shù)據(jù)。而且必須格外小心，以確保公司未經(jīng)批準不得利用醫(yī)療數(shù)據(jù)來謀取商業(yè)利益，或是區(qū)分是否能夠使用該技術(shù)的人群。
這些傳感器系統(tǒng)將如何收費，以及如何為醫(yī)生進行數(shù)據(jù)解釋和診斷來支付費用，這還有待觀察。盡管如此，醫(yī)療領(lǐng)域的投資者仍應(yīng)支持這些生物集成傳感器系統(tǒng)，因為它們可以潛在地改善醫(yī)療質(zhì)量并降低成本。這與當今向基于價值的護理進行轉(zhuǎn)變的趨勢相吻合——應(yīng)該根據(jù)療效來選擇治療，而不是簡單地為服務(wù)付費。
路在前方
任何一項技術(shù)的進步都需要材料與設(shè)備工程師、數(shù)據(jù)科學(xué)家和醫(yī)學(xué)專家之間的密切合作。使用者和護理人員也需要更緊密地參與進來。來自政府、企業(yè)投資和慈善基金會的跨學(xué)科資助對于在設(shè)備商業(yè)化之前收集概念驗證階段的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。公司需要改進設(shè)備的制造工藝，以將類似硬質(zhì)骨骼的組件和類似軟組織的材料結(jié)合在一起。他們需要提高產(chǎn)量、確保質(zhì)量和降低成本。此外還需要自動化工具來設(shè)計電路和機械組件的布局和拓撲。
但是，這些努力都是值得的，畢竟，生物集成傳感器將有可能改變醫(yī)療領(lǐng)域的方方面面。
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