用于生理狀況和活動(dòng)監(jiān)測的可穿戴傳感器綜述

根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）的數(shù)據(jù)，過去二十年，全球醫(yī)療保健支出已飆升至GDP總量的11.9%（約11萬億美元），歐盟的公共醫(yī)療支出約占其GDP的8.1%（約11.8億歐元）。由于人力資源和設(shè)施有限，因此，了解這些支出模式對(duì)于政策制定者和醫(yī)療服務(wù)提供者最大限度地提供所需服務(wù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)醫(yī)療診斷方法包括侵入性檢測和分析，通常需要利用復(fù)雜的大型設(shè)備。這些因素限制了大部分人獲得初級(jí)醫(yī)療保健和診斷服務(wù)的便捷性。并且，部分人群不適合基于血液檢測的侵入性診斷。例如，對(duì)于老年人來說，由于皮膚較薄，血管脆弱，血液采樣可能具有挑戰(zhàn)性。同樣，嬰兒的免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，血管脆弱，血容量低。此外，基于血液的診斷無法對(duì)人體生理狀況和活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和連續(xù)監(jiān)測。在這種情況下，人們需要輕便、低成本、高效率的非侵入性診斷工具。這些工具必須能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測患者的病理狀態(tài)，并為預(yù)防性診斷和個(gè)性化治療提供重要依據(jù)。材料科學(xué)、電子學(xué)和納米技術(shù)的最新進(jìn)展，使業(yè)界能夠制造輕巧、柔性的傳感器，并嵌入可穿戴設(shè)備，以非侵入方式持續(xù)監(jiān)測生命體征。

可穿戴設(shè)備包含可佩戴在用戶身體上或整合到衣物中的分析傳感器。作為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的一部分，可穿戴傳感器可以跟蹤人體活動(dòng)、監(jiān)測用戶健康狀況并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。此類設(shè)備可快速提供基線值，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的異常發(fā)出警報(bào)。智能手表、耳機(jī)和智能眼鏡中包含的先進(jìn)微型可穿戴傳感器，能夠持續(xù)提供有關(guān)患者生理狀態(tài)的信息。例如，集成了傳感器的智能手表可以測量血氧飽和度、心率和呼吸頻率等關(guān)鍵生物計(jì)量指標(biāo)。這些先進(jìn)傳感器使醫(yī)療保健專業(yè)人員能夠監(jiān)測用戶的生理參數(shù)，以進(jìn)行早期和預(yù)防性治療?，F(xiàn)在，已有研究可穿戴設(shè)備集成傳感器，以監(jiān)測各種生物體液中的生物標(biāo)志物濃度變化。

其中，有些非侵入性可穿戴設(shè)備可以進(jìn)一步與靶向給藥系統(tǒng)集成，從而實(shí)現(xiàn)診斷和治療。大多數(shù)可穿戴設(shè)備由電池供電，可能需要經(jīng)常充電，這對(duì)長期監(jiān)測來說是一大挑戰(zhàn)。人們對(duì)能夠利用用戶的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為電能為這些可穿戴設(shè)備供電的自供電可穿戴傳感器進(jìn)行了大量研究。摩擦電、壓電和熱電發(fā)電機(jī)可將機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)化為電能。

本綜述中討論的非侵入性代謝物傳感和人體活動(dòng)監(jiān)測示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，芬蘭坦佩雷大學(xué)的研究人員在Small Science期刊上發(fā)表了一篇題為“Wearable Sensors for Physiological Condition and Activity Monitoring”的綜述性文章。文章簡要討論了可穿戴傳感器技術(shù)和傳感器制造的演變，并重點(diǎn)討論了用于監(jiān)測淚液代謝物、呼吸代謝物、表皮汗液代謝物和組織間液的可穿戴傳感器。研究人員通過示例，討論了如何利用可穿戴傳感器監(jiān)測葡萄糖、乳糖、二氧化碳、氨、丙酮、pH值、離子、過氧化氫、脂類和基質(zhì)金屬蛋白酶-9（MMP-9）等代謝物。此外，文章還介紹了如何在特定的人體活動(dòng)中跟蹤眼壓、溫度、呼吸頻率、出汗率和濕度等參數(shù)。除了傳感之外，與微針（MN）平臺(tái)集成的可穿戴傳感器，還可以為治療應(yīng)用提供選擇性檢測和同步給藥功能。最后，研究人員總結(jié)了可穿戴傳感器技術(shù)的局限性和未來機(jī)遇。

可穿戴傳感器的發(fā)展變遷

隱形眼鏡已廣泛用于矯正視力和美顏目的。由于隱形眼鏡與眼球及周圍的淚液持續(xù)接觸，因此成為集成柔性電子器件并將其轉(zhuǎn)化為可穿戴傳感器的理想基底。淚液中含有豐富的蛋白質(zhì)和其它成分，與血液中的成分相似。與基于血液的侵入性檢測不同，淚液分析通過非侵入性技術(shù)提供了對(duì)個(gè)體生理狀態(tài)的獨(dú)特洞察。而葡萄糖是淚液中重要的生物標(biāo)志物之一。

用于血糖傳感的智能隱形眼鏡

人體呼出的氣體冷凝物中含有近3500種生物標(biāo)記物（即代謝物），有助于了解個(gè)體的生理狀況。對(duì)呼氣代謝物進(jìn)行實(shí)時(shí)無創(chuàng)監(jiān)測和分析，有助于早期發(fā)現(xiàn)疾病，打造個(gè)性化的醫(yī)療方法，從而為醫(yī)療技術(shù)突破鋪平道路。

用于呼吸代謝物傳感的智能口罩

皮膚是人體面積最大的器官，是檢測生物標(biāo)記物的絕佳途徑。通過皮膚檢測的智能手表、胸帶式心率監(jiān)測器、葡萄糖監(jiān)測器和血氧濃度監(jiān)測器已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。汗液是汗腺分泌的液體，其中含有乳糖、葡萄糖、脂質(zhì)、尿素和鹽類等代謝物。

汗液監(jiān)測傳感器示意圖及其表征

總結(jié)而言，淚滴、汗液、組織間質(zhì)液和呼出的冷凝液等生物體液，為非侵入性診斷提供了前景廣闊的途徑。由于各種生物體液中存在大量的生物標(biāo)志物，因此，快速傳感和分析工具可以為醫(yī)療保健帶來變革性影響和進(jìn)步。更重要的是，血液代謝物與其它生物流體中代謝物之間的相關(guān)性正變得越來越明晰，因此非侵入性檢測工具有望在部分場景替代費(fèi)時(shí)費(fèi)力、侵入性且成本高昂的血液化驗(yàn)。

然而，這些集成要求傳感器重量輕、生物相容性好且無毒。盡管業(yè)界已經(jīng)做出了許多努力，但舒適性、準(zhǔn)確性、耐用性和成本仍然是其實(shí)現(xiàn)更廣泛應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。

此外，智能隱形眼鏡等可穿戴設(shè)備在監(jiān)管方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。這些設(shè)備與各種器官直接接觸，所以制造這些設(shè)備所使用的材料需要嚴(yán)格的可追溯性，這也帶來了挑戰(zhàn)。例如，金屬離子浸出、氧化和不必要的化學(xué)反應(yīng)，可能會(huì)在臨床試驗(yàn)前帶來需要克服的重大挑戰(zhàn)。由于智能可穿戴傳感器的數(shù)據(jù)通常是通過智能手機(jī)收集的，因此存在數(shù)據(jù)隱私和安全方面的挑戰(zhàn)。研究人員對(duì)當(dāng)前的研究趨勢持樂觀態(tài)度，因?yàn)榭朔?dāng)前的挑戰(zhàn)可能會(huì)促進(jìn)個(gè)性化診斷和治療取得前所未有的進(jìn)展。更重要的是，盡管這些可穿戴傳感器可以提供與血液診斷類似的數(shù)據(jù)，但我們?nèi)詰?yīng)將其視為一種補(bǔ)充，而不是直接取代現(xiàn)有方法?？纱┐鱾鞲衅饕晒?shí)現(xiàn)大范圍部署，還需要進(jìn)行大規(guī)模的臨床試驗(yàn)，評(píng)估其診斷和健康預(yù)測的準(zhǔn)確性。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smsc.202300358

審核編輯：劉清