高集成度、微型無線生物電子設(shè)備助力實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，健康和疾病狀況的管理最終將由高集成度、微型無線生物電子設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，這些設(shè)備旨在持續(xù)監(jiān)測(cè)多種生物標(biāo)志物。

持續(xù)監(jiān)測(cè)人體健康狀況的設(shè)備需要具備哪些特性和功能？以如今的智能手表和其它可穿戴健身追蹤設(shè)備為例，似乎具備三個(gè)基本特征：無需電線的可穿戴性、無需其它配件的多功能性、無需笨重設(shè)備的可靠性。健康監(jiān)測(cè)設(shè)備及其與身體的接口最好是無線的，以便使用起來更舒適。此外，最好在一個(gè)設(shè)備或接口內(nèi)提供豐富的健康數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)多種生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)。同時(shí)，測(cè)量結(jié)果應(yīng)該準(zhǔn)確可靠，且設(shè)備占用空間盡量小。

這些功能和工藝方面的限制可以利用電子設(shè)備的小型化、功率效率，以及材料、器件設(shè)計(jì)和制造策略的進(jìn)步來更好地平衡。當(dāng)然，每種預(yù)期的健康應(yīng)用（例如監(jiān)測(cè)健康狀況、檢測(cè)疾病發(fā)作，或者跟蹤已知疾病的進(jìn)展或治療的有效性），特別是所監(jiān)測(cè)的生物標(biāo)志物的身體來源和類型，將決定所使用的設(shè)備和技術(shù)的特定功能和局限性。每種類型的傳感技術(shù)、材料和制造方法都有其自身的局限性。例如，決定在何處測(cè)量生物標(biāo)志物的濃度（如血液、間質(zhì)液或汗液）需要考慮準(zhǔn)確性（特別是靈敏度）、可靠性和設(shè)備侵入性。此外，監(jiān)測(cè)來自遠(yuǎn)端身體部位（如心臟和外周血管）的生物標(biāo)志物可能需要多個(gè)獨(dú)立的傳感器，這給設(shè)備集成和數(shù)據(jù)管理帶來一定的挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，Nature Biomedical Engineering期刊刊登了一篇題為“Ever easier health monitoring”的評(píng)論文章，重點(diǎn)介紹了可穿戴、可攝入和可植入生物電子設(shè)備在持續(xù)監(jiān)測(cè)健康狀況、疾病進(jìn)展或治療效果方面的七項(xiàng)研究進(jìn)展。目前，這些研究成果都處于技術(shù)發(fā)展的相對(duì)早期階段，研究人員們對(duì)這些技術(shù)的預(yù)期用途提供了概念驗(yàn)證證據(jù)，涉及對(duì)最先進(jìn)材料、傳感器和方法的合理設(shè)計(jì)、使用、調(diào)整或優(yōu)化，從而最大限度地平衡各種預(yù)期應(yīng)用的特定需求和局限性。

患有心血管疾病的人將受益于可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)血管血流動(dòng)力學(xué)的小型且不受束縛設(shè)備的發(fā)展。目前，用于監(jiān)測(cè)患者心血管系統(tǒng)的設(shè)備涉及導(dǎo)管和和外部電子設(shè)備的有線連接，因此通常不適用于門診環(huán)境。迄今為止，用于測(cè)量血液動(dòng)力學(xué)的無線設(shè)備只能追蹤血壓或血流量。John A. Rogers等研究人員展示了一種微型集成式、可植入式無線傳感器，可以連續(xù)并同時(shí)追蹤血壓、流速和溫度，并以無線方式傳輸數(shù)據(jù)和充電。該傳感器旨在用于有心力衰竭或中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的患者，可以通過微創(chuàng)經(jīng)導(dǎo)管手術(shù)植入，也可以安裝在手術(shù)夾、血管內(nèi)支架、心臟瓣膜假體和其他標(biāo)準(zhǔn)臨床設(shè)備上。該設(shè)備在監(jiān)測(cè)血流和血壓方面的表現(xiàn)與臨床設(shè)備效果相當(dāng)，研究人員通過豬（將設(shè)備植入肺動(dòng)脈）和羊（將設(shè)備安裝在主動(dòng)脈支架上）的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。由于植入物與血液接觸，因此該設(shè)備必須滿足長期生物相容性和使用可靠性的要求。

圖1 John A. Rogers等研究人員提出的集成式無線傳感器

心力衰竭風(fēng)險(xiǎn)極高的患者需要通過導(dǎo)管設(shè)備進(jìn)行心輸出量和血管阻力的侵入性監(jiān)測(cè)。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)較低時(shí)，醫(yī)護(hù)人員通常會(huì)指導(dǎo)患者在家中頻繁測(cè)量血壓并報(bào)告相關(guān)癥狀（如頭暈或疲勞）。在另一篇由John A. Rogers、Daniel Franklin等研究人員撰寫的文章中，報(bào)道了一種非侵入式可穿戴技術(shù)，可用于連續(xù)測(cè)量與心血管健康相關(guān)的多種生物標(biāo)志物。這項(xiàng)技術(shù)包括放置在身體不同部位的傳感器（靠近心臟的胸部；靠近外周動(dòng)脈，如手腕或手指），并通過與胸部心電圖、地震心動(dòng)描記法和外周多光譜光容積描記儀同步的傳感器記錄與血管阻力、心輸出量和血壓調(diào)節(jié)相關(guān)的指標(biāo)。研究人員表示，該無線同步可穿戴設(shè)備可用于對(duì)健康個(gè)體、高血壓患者和心臟手術(shù)恢復(fù)期患者的多種刺激（如暴露于高溫或低溫、體育鍛煉或屏氣，以及術(shù)后低血壓期間的血管加壓藥物管理）引起的血液動(dòng)力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行分類。

圖2 John A. Rogers等研究人員提出的無線同步可穿戴設(shè)備

心血管疾病和許多其它疾病會(huì)導(dǎo)致血液中炎癥生物標(biāo)志物的水平提高。然而，在足夠的靈敏度下對(duì)其定量分析需要抽血和復(fù)雜的分析程序。相反，對(duì)炎癥生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（最好是在汗液中）可通過非侵入式實(shí)現(xiàn)，以用于對(duì)疾病進(jìn)展的追蹤。然而，要可靠地測(cè)量汗液中的蛋白質(zhì)水平需要解決汗液中復(fù)雜的成分以及個(gè)體差異所帶來的挑戰(zhàn)。Wei Gao等研究人員展示了一種可穿戴式無線皮膚貼片，可用于實(shí)時(shí)檢測(cè)汗液中的炎癥生物標(biāo)志物C反應(yīng)蛋白，以及離子強(qiáng)度、pH值和溫度。該設(shè)備結(jié)合了自主汗液誘導(dǎo)（通過離子電泳）、汗液取樣、試劑路徑和替換（通過微流體）以及原位免疫傳感（通過石墨烯電極與C反應(yīng)蛋白抗體功能化的電化學(xué)傳感）等技術(shù)。研究人員證實(shí)，血液和汗液中炎癥生物標(biāo)志物的水平是高度相關(guān)的，該設(shè)備在患有慢性阻塞性肺疾病或心力衰竭患者的汗液中檢測(cè)到了高水平的炎癥生物標(biāo)志物。然而，該設(shè)備還需要針對(duì)可用性進(jìn)行優(yōu)化，以使其更易于長期佩戴，并允許試劑盒易于更換。

圖3 Wei Gao等研究人員提出的可穿戴無線皮膚貼片

可以在汗液中測(cè)量的生物標(biāo)志物也有助于監(jiān)測(cè)大腦狀態(tài)。例如，在記錄腦電圖的同時(shí)測(cè)量乳酸水平可以幫助區(qū)分癲癇發(fā)作和非癲癇混淆癥。此外，代謝生物標(biāo)志物也與腦功能有關(guān)。Gert Cauwenberghs、Joseph Wang、Sheng Xu、Patrick Mercier等研究人員報(bào)道了一種安裝在耳塞上的可穿戴式傳感器，可用于同時(shí)感知耳道內(nèi)的代謝和電生理信號(hào)。研究人員證實(shí)，該設(shè)備可用于檢測(cè)汗液中的乳酸水平，并通過腦電圖、眼電圖和皮膚電活動(dòng)來監(jiān)測(cè)大腦狀態(tài)，該設(shè)備性能已在劇烈運(yùn)動(dòng)的志愿者中進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖4 Gert Cauwenberghs等研究人員提出的安裝在耳塞上的可穿戴傳感器

組織的機(jī)械行為也可以被認(rèn)為是疾病的生物標(biāo)志物的來源。例如，病變組織的楊氏模量可以反映潛在的病理生理狀況。組織模量可以通過磁共振成像、超聲或光學(xué)相干成像的彈性成像來測(cè)量，但這些設(shè)備通常體積龐大，便攜式設(shè)備通常無法在足夠的空間分辨率下進(jìn)行頻繁測(cè)量。基于組織抽吸、壓痕或壓縮的技術(shù)也可以探測(cè)組織，但只能探測(cè)其表層。為了實(shí)現(xiàn)頻繁和連續(xù)的測(cè)量，Sheng Xu等研究人員提出了一種符合人體組織的超聲波電極陣列，能夠允許以低于1 mm的空間分辨率對(duì)皮膚深處的組織進(jìn)行連續(xù)、非侵入性的彈性測(cè)量。研究人員通過在志愿者肌肉延遲疼痛發(fā)作之前繪制和監(jiān)測(cè)微結(jié)構(gòu)損傷，以及在物理治療期間監(jiān)測(cè)肌肉損傷的恢復(fù)，驗(yàn)證了該陣列的實(shí)用性。該設(shè)備原型需要數(shù)據(jù)線和電力傳輸以及基于桌面的控制系統(tǒng)，不過，基于低功耗集成電路和鋰聚合物電池技術(shù)可以使該設(shè)備便攜甚至可穿戴。

圖5 Sheng Xu等研究人員提出的超聲波電極陣列

治療神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤通常需要手術(shù)切除和術(shù)中神經(jīng)生理監(jiān)測(cè)，以保持神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性。然而，在顯微手術(shù)過程中很難保持穩(wěn)定可靠的近場(chǎng)電位記錄（遠(yuǎn)場(chǎng)電位較弱，需要長時(shí)間采集）。Wang Jia、Zhenan Bao、Deling Li等研究人員利用柔軟和可拉伸的導(dǎo)電聚合物制造神經(jīng)包裹電極，可滿足在顯微手術(shù)中連續(xù)記錄近場(chǎng)動(dòng)作電位，無需解剖標(biāo)志即可精確定位目標(biāo)神經(jīng)。研究人員通過監(jiān)測(cè)腫瘤切除顯微手術(shù)后大鼠和家兔的術(shù)后行為以及神經(jīng)生理功能驗(yàn)證了該設(shè)備的性能。

圖6 Wang Jia等研究人員提出的柔軟且可拉伸的導(dǎo)電聚合物電極

對(duì)于胃腸道腫瘤，放射治療有時(shí)在手術(shù)切除腫瘤之前或之后用作輔助治療。監(jiān)測(cè)胃腸道X射線輻射劑量可以提高放射治療的精度，但放置在皮膚附近的臨床劑量計(jì)的準(zhǔn)確性會(huì)受到組織光子衰減和組織異質(zhì)性的影響。Xiaogang Liu、Bin Zhou、Zonghai Sheng等研究人員設(shè)計(jì)了一種可吞咽的X射線劑量計(jì)，該劑量計(jì)含有可持續(xù)發(fā)光的鑭系摻雜納米閃爍體，可用于無線監(jiān)測(cè)胃腸道內(nèi)絕對(duì)吸收輻射劑量（通過測(cè)量放射發(fā)光、余輝強(qiáng)度和溫度）。不過，該設(shè)備有一定局限性，正如Louis Archambault在另一篇文章中所指出的，“雖然可吞咽的膠囊很方便，但其代價(jià)是無法精確控制探測(cè)器的位置”。

圖7 Xiaogang Liu等研究人員提出的可吞咽X射線劑量計(jì)

為了使上述這些設(shè)備原型實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的臨床應(yīng)用前景，還需要對(duì)其功能和安全性進(jìn)行更有力的驗(yàn)證，以更好地滿足預(yù)期功能和用戶需求。很多設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步優(yōu)化，例如，更適配特定身體區(qū)域、最小化整體設(shè)備占用空間、低功耗數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，以及長期可靠性。這樣做的好處顯而易見，特別是在無線和非侵入性的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種生物標(biāo)志物的持續(xù)監(jiān)測(cè)，尤其是能夠更輕松地監(jiān)測(cè)健康、疾病和治療結(jié)果，并更早地發(fā)現(xiàn)疾病發(fā)作。

審核編輯：劉清