生物傳感器和即時(shí)(Point-of-Care)檢測(cè)

聯(lián)合國(guó)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)之一是做好預(yù)防傳染病傳播的準(zhǔn)備。在COVID-19大流行期間，防疫已成為當(dāng)前最重要目標(biāo)。科技在對(duì)抗傳染病方面扮演重要角色，而物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)正是我們重要的防疫武器。降低成本、自主遠(yuǎn)程護(hù)理和診斷，以及即時(shí)獲取患者的數(shù)據(jù)只是物聯(lián)網(wǎng)改變醫(yī)療保健的其中幾種方式。在疾病控制方面，無(wú)線連接和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更提供了強(qiáng)有力的解決方案。

我們通常認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是由傳感器和無(wú)線微控制器組成的網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)這只是物聯(lián)網(wǎng)的物理層。整體而言，物聯(lián)網(wǎng)是大規(guī)模的分布式計(jì)算。估計(jì)有240億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能連接設(shè)備可以收集前所未有的海量數(shù)據(jù)，并執(zhí)行計(jì)算。在對(duì)抗疫情大流行時(shí)，更多的數(shù)據(jù)意味著更好的決策制定和更好的應(yīng)對(duì)計(jì)劃。兩者對(duì)于預(yù)防和控制疾病的傳播都至關(guān)重要。

追蹤接觸者

在流行疫情上升時(shí)，最緊迫的任務(wù)是追蹤并隔離那些可能與感染者有過(guò)接觸的人。這是控制疾病的一種方法。傳統(tǒng)追蹤接觸者的技術(shù)有賴于采訪接觸對(duì)象并調(diào)查相關(guān)問(wèn)題。此方法不但昂貴費(fèi)時(shí)，而且容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。在人口稠密城市之間流動(dòng)的人群更加劇了這一問(wèn)題，突顯出傳統(tǒng)方法的弱點(diǎn)。

作為傳統(tǒng)追蹤接觸者方法的替代，可依賴無(wú)線技術(shù)（RFID、低功耗藍(lán)牙、GPS、Wi-Fi和磁場(chǎng)信號(hào)）來(lái)追蹤詳細(xì)的位置。與傳統(tǒng)方法不同的是，無(wú)線技術(shù)可提供與確認(rèn)病例互動(dòng)接觸的時(shí)間和距離等相關(guān)信息。低功耗藍(lán)牙（BLE）是應(yīng)用最廣泛的IoT標(biāo)準(zhǔn)之一，可提供相對(duì)較高的位置追蹤精確度。

與Wi-Fi和蜂窩定位相比，低功耗藍(lán)牙可以提供高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的定位精度。對(duì)追蹤到的接觸者進(jìn)行分類并排定優(yōu)先處理級(jí)別時(shí)，更高的精確度至關(guān)重要。低功耗藍(lán)牙提供了多種位置追蹤方案，例如RSSI和到達(dá)角（AoA）。低功耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也廣泛存在于我們的智能手機(jī)和大多數(shù)可連接的穿戴設(shè)備上。

傳染病大流行期間，部署藍(lán)牙標(biāo)簽是改善應(yīng)變計(jì)劃的另一種解決方案［資料來(lái)源］。就未來(lái)而言，這意味著在人口稠密的城市地區(qū)部署成百上千個(gè)藍(lán)牙標(biāo)簽和智能設(shè)備進(jìn)行通信。這需要對(duì)這些藍(lán)牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全系統(tǒng)的優(yōu)化，以克服消息的沖突［數(shù)據(jù)來(lái)源］。消息的沖突可能意味著忽略一次極易發(fā)生感染的接觸，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)備未能報(bào)告與確診病患的接觸。

生物傳感器和即時(shí)（Point-of-Care）檢測(cè)

應(yīng)對(duì)傳染病疫情流行的另一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)是即時(shí)檢測(cè)。由于缺乏廣泛可用的COVID-19測(cè)試套件，每當(dāng)我們檢查COVID-19數(shù)據(jù)時(shí)，我們只能感知到冰山一角的信息。如果使用的檢測(cè)試劑可以更加普及，發(fā)生在紐約市的不受控制的COVID-19病毒傳播可能就會(huì)大幅地減輕。具成本效益且可快速部署的診斷設(shè)備也是全球偏遠(yuǎn)和發(fā)展中地區(qū)的基本需求，在這些地區(qū)缺少訓(xùn)練有素的人員和配備完善的醫(yī)療中心，從而會(huì)導(dǎo)致無(wú)法控制的疫情擴(kuò)散。

診斷設(shè)備除了要具有成本效益外，還必須可靠、靈敏、便攜式且讓使用者容易操作。此外，設(shè)備最好能夠在全部或部分使用后可以拋棄、易于重制、體積小。而云連接的生物傳感器則非常適合該方案［資料來(lái)源］。病人的體驗(yàn)很簡(jiǎn)單。從患者體內(nèi)提取樣本到拋棄式藥筒中。只需在30分鐘內(nèi)，測(cè)試即可完成。

讓我們從技術(shù)角度來(lái)看看發(fā)生了什么：藥筒被裝入一個(gè)芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上，這個(gè)設(shè)備包含一組安裝在CMOS芯片上的ISFET傳感器陣列，該傳感器陣列連接到微控制器來(lái)通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆苹蛑悄苁謾C(jī)應(yīng)用程序。使用中的ISFET生物傳感器與MOSFET晶體管非常相似，不同之處在于金屬柵極被離子敏感結(jié)構(gòu)替代。ISFET生物傳感器可以測(cè)量溶液中的離子濃度。

傳感器對(duì)芯片表面的反應(yīng)進(jìn)行離子成像，從而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到DNA的擴(kuò)增。監(jiān)視此生物過(guò)程等同于檢測(cè)病毒感染。該演示展示了物聯(lián)網(wǎng)如何支持瑣碎的技術(shù)以實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的普及性計(jì)算，從而提供前所未有的即時(shí)檢測(cè)功能。客觀來(lái)看，這種芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)盡管便宜很多，但與雅培（Abbott）實(shí)驗(yàn)室的盒裝測(cè)試套件相似，該盒裝套件已獲得FDA的快速批準(zhǔn)，并已在過(guò)去幾周內(nèi)進(jìn)行部署。

ISFET生物傳感器基本上是MOSFET晶體管，但其金屬柵極被離子敏感結(jié)構(gòu)取代。

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

美國(guó)疾病預(yù)防控制中心（CDC）估計(jì)，每年因健康問(wèn)題引發(fā)的感染人數(shù)（與健康相關(guān)的訪視期間被感染的人數(shù)）僅在美國(guó)醫(yī)院每年就高達(dá)170萬(wàn)［資料來(lái)源］。在疫情大流行期間，此數(shù)字不僅會(huì)增加，還會(huì)導(dǎo)致當(dāng)我們最需要專業(yè)醫(yī)護(hù)人才時(shí)卻面臨短缺。我們?nèi)绾尾拍芙档痛罅餍衅陂g醫(yī)院感染的風(fēng)險(xiǎn)呢？

其中具吸引力的解決方案之一是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Medical Things，IoMT）。IDC估計(jì)，超過(guò)70％的醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)已經(jīng)在部署IoMT［來(lái)源］，這對(duì)于未來(lái)的大流行預(yù)防是個(gè)好消息?；镜奈锫?lián)網(wǎng)天才概念是它將任何對(duì)象變成數(shù)據(jù)源。對(duì)于IoMT而言，“對(duì)象”本身是醫(yī)療產(chǎn)品，無(wú)論是心率監(jiān)測(cè)器、輪椅或是可穿戴設(shè)備。病人產(chǎn)生數(shù)據(jù)（PGD）的串流信息可用于分析病人的健康狀況。就更大的計(jì)劃方案而言，從病患人口收集的數(shù)據(jù)可以用來(lái)加速醫(yī)學(xué)研究和發(fā)展。

在醫(yī)院部署更多的自動(dòng)化和技術(shù)如IoMT床頭設(shè)備，可減少與傳染病患者的接觸，讓工作人員得到更多保護(hù)。隨時(shí)可取得的患者數(shù)據(jù)將減少醫(yī)院就診的需要和時(shí)間。這與不斷發(fā)展的遠(yuǎn)程醫(yī)生就診、遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控技術(shù)息息相關(guān)。值得注意的是，盡管隨著IoMT和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，除了流行病之外，該技術(shù)并不能取代人與人之間的連接，這是護(hù)理患者的關(guān)鍵部分。就效益而言，如果有的話，IoMT可為醫(yī)生提供更多時(shí)間來(lái)專注于人為方面的工作，例如對(duì)病患和家庭提供咨詢。

IoMT還增強(qiáng)了對(duì)老年人或慢性病患的遠(yuǎn)程照料，在當(dāng)前的COVID-19大流行中，這可能意味著可大幅減少最脆弱人群的接觸風(fēng)險(xiǎn)。在大流行期間照顧老年人時(shí)，減少非必要的接觸以避免危及生命至關(guān)重要。借助虛擬助手、醫(yī)療傳感器和智能家居，我們可以確保易受傷害的群體在身體和心理上的健康。

安全威脅

一般而言，如果不解決安全性和隱私問(wèn)題，IoMT和IoT的倡議就不夠完備。盡管物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到足以將數(shù)據(jù)從對(duì)象到云之間來(lái)回傳輸，但是設(shè)備和數(shù)據(jù)安全性仍然是一個(gè)問(wèn)題。這就解釋了為什么醫(yī)療保健機(jī)構(gòu)持續(xù)在其后端系統(tǒng)部署物聯(lián)網(wǎng)之同時(shí)，仍對(duì)IoMT前沿技術(shù)調(diào)動(dòng)了多少客戶接口持謹(jǐn)慎態(tài)度。

由于傳感器不斷傳輸有關(guān)健康狀況的敏感信息，這讓患者對(duì)智能穿戴式醫(yī)療設(shè)備感到不安。此外，在疫情大流行的情況下，尤其是在接觸者追蹤方面，數(shù)據(jù)隱私成了敏感問(wèn)題。如果我們?cè)谌巳褐胁渴鹚{(lán)牙標(biāo)簽以在大流行時(shí)啟用接觸者追蹤功能，誰(shuí)會(huì)擁有這些收集的數(shù)據(jù)？在何種程度上可以取得和操縱這些敏感數(shù)據(jù)？

IoT隱私和安全漏洞的問(wèn)題必須能夠解決，相關(guān)科技才能交付至醫(yī)療保健客戶手上。而解決這些問(wèn)題，有賴于在此領(lǐng)域立法、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療和技術(shù)參與者的共同努力。從技術(shù)角度來(lái)看，目前已有大量的創(chuàng)新來(lái)保護(hù)硬件和軟件設(shè)備免受黑客攻擊。例如，Silicon Labs的Secure Vault技術(shù)可為每個(gè)無(wú)線芯片生成唯一的簽名，就像出生證明一樣。這意味著在芯片上執(zhí)行的計(jì)算僅能用于提供IoT服務(wù)的IoT服務(wù)商，而不會(huì)被虎視眈眈的黑客竊取。但是，供貨商在處理個(gè)人數(shù)據(jù)方面如何建立消費(fèi)者的信任仍然是個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以成為引領(lǐng)預(yù)防和管理當(dāng)前和未來(lái)流行病的方法。面對(duì)大規(guī)模流行病，廣泛部署的物聯(lián)網(wǎng)為人類提供了前所未有的數(shù)據(jù)和分析體系。使得防制疾病的傳播更加有效，并且可以利用IoT技術(shù)協(xié)助我們追蹤、測(cè)試和治療全體人類。