皮膚傳感器：健康產(chǎn)業(yè)中的革命性力量

編譯 李升偉

皮膚傳感器是一類超薄、靈活、無線的監(jiān)測系統(tǒng)，可以使醫(yī)學(xué)變得更加可預(yù)測、更加個性化。

加州舊金山iRhythm公司的一次性Zio貼片可以連續(xù)兩周監(jiān)測心率，以發(fā)現(xiàn)異常情況

作為粘貼在皮膚上超薄、柔軟的電子系統(tǒng)，皮膚傳感器正在給衛(wèi)生護理業(yè)帶來革命性變化。數(shù)以百萬計的早期版本的傳感器、計算機和發(fā)射器被編織成可彎曲的薄膜、貼片、繃帶或紋身，僅在神經(jīng)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域就進行了數(shù)十項試驗，而且這種數(shù)量正在迅速地增加著。十年內(nèi)，許多人將一直佩戴這種傳感器。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)異常和跟蹤治療。

利用此類傳感器，可以對許多醫(yī)療問題進行早期發(fā)現(xiàn)。當病人在家中康復(fù)療養(yǎng)時，醫(yī)生們可以對病人的康復(fù)情況進行遠程監(jiān)控，并在他們病情惡化時進行干預(yù)。疫情高峰將被迅速標記出來，從而使政府部門能夠調(diào)動資源，查明易受感染人群，并監(jiān)測所發(fā)藥物的安全性和有效性。所有這些將使得衛(wèi)生護理事業(yè)更加可預(yù)測、更加安全和更加有效。

這項技術(shù)目前的進展情形是怎樣的呢？第一代生物集成傳感器可以示蹤分析生物物理信號，如心臟節(jié)律、呼吸、體溫和運動機能。目前正在出現(xiàn)一些更為先進的系統(tǒng)，可以示蹤特定的生物標記物（如血糖），或者示蹤一些基本的機能如吞咽功能和語言功能。

一些小型公司正在對柔性生物傳感器系統(tǒng)進行商業(yè)化運作，它們可以對臨床數(shù)據(jù)進行持續(xù)性的測量。這其中包括加州圣瓊斯市的Vital Connect公司、加州舊金山市的iRhythm公司、麻省列克星敦市的MC10公司、伊利諾伊州埃文斯頓市的Sibel Health公司。例如，iRhythm公司的一次性Zio貼片可以連續(xù)14天監(jiān)測心臟的電脈沖，在檢測心律異常方面比醫(yī)院的間歇性檢查更有效。但它體積略大，而且是臨時的，數(shù)據(jù)必須在使用后下載，而不是實時傳輸。

目前，在伊利諾伊州芝加哥市、作者所在的實驗室正在對更為先進的傳感器進行臨床試驗。這其中包括了用于心率、呼吸和體溫的更小傳感器網(wǎng)絡(luò)。它們可以無線傳輸數(shù)據(jù)，而且足夠柔軟，可以放在早產(chǎn)兒的胸前，而不會損傷他們脆弱的皮膚。當護士、醫(yī)生或父母想要抱起一個嬰兒時，他們沒有必要拔掉一大堆電線。類似的系統(tǒng)可能會在截肢者的四肢窩和假體之間的界面上感知壓力和溫度。

要使可穿戴傳感器適合廣泛應(yīng)用，必須克服許多挑戰(zhàn)。在材料、設(shè)備和電路設(shè)計方面的創(chuàng)新必須使軟生物傳感器更小、更薄、更輕、更省電。必須提高測量的準確度、精密度和范圍。監(jiān)管、成本、可用性和數(shù)據(jù)安全都需要關(guān)注。

在此，我們概述了行動的優(yōu)先事項。

實施清單

生物標記物到目前為止，得到美國食品藥品管理局（FDA）批準的所有柔性傳感系統(tǒng)都只能收集生物物理信號。生物化學(xué)標記物，比如血糖或激素水平，沒有用針刺皮膚采血的情況下難以收集到。

一些新出現(xiàn)的儀器通過向皮膚插入一層纖維來收集體液。而檢測汗水中的化學(xué)物是一種有前途的替代方法。汗水中包含許多指標物，分別與下列機制有關(guān)：細胞健康和器官功能（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）。人們正在研發(fā)汗液傳感器來分析以下指標：氯化物、血糖、乳酸、尿素、肌酐、乙醇、酸堿度乃至重金屬。如果實現(xiàn)對汗液中蛋白質(zhì)和激素水平的定量化，將進一步增加這些傳感器的適用性。

另外，這些傳感器還需要在收集和分析汗液的同時不受到污染和降解的影響，這還將要求人們發(fā)現(xiàn)新的化學(xué)檢驗和化驗種類。

工具成像能力和光譜學(xué)能力的具備還將實現(xiàn)對機體的實時評估。這方面的例子有光學(xué)一致性X線斷層攝影術(shù)、共聚焦顯微鏡、喇曼光譜學(xué)和雙光子激發(fā)顯微鏡。如果這些系統(tǒng)能夠得到微型化，它們將可以在不需要進行針刺取樣或外科手術(shù)的情況下對皮膚腫瘤進行診斷。目前，它們?nèi)匀贿€很昂貴、笨重、布滿了各種線圈。

治療那些可以產(chǎn)生皮膚感覺的界面，比如振動，可以改善康復(fù)狀況，尤其是在語言和運動治療中?？梢酝ㄟ^皮膚貼片對藥物進行滲透性傳輸，這樣的藥物已經(jīng)用在運動性疾病（莨菪堿）、疼痛（芬太尼）、避孕（諾孕曲明和炔雌醇）和高血壓（氯壓定）上。藥物的釋放可以通過電力、聽覺或熱學(xué)等手段進行刺激，例如，可以應(yīng)用一種聚合物袋進行加熱。傳感器還可以傳輸電刺激或熱刺激來治療神經(jīng)性疾病或控制疼痛。

植入物柔軟的傳感器系統(tǒng)可以在體內(nèi)使用。一種薄軟的植入物可以包埋在心臟或脊柱內(nèi)部從而對其進行監(jiān)測和刺激。示范版的薄軟技術(shù)可以對腦電波進行示蹤，已經(jīng)在小鼠、牛和非人類靈長類動物中進行了檢測。實用性挑戰(zhàn)包括研發(fā)生物相容性材料、制造超薄片層、并對數(shù)年或數(shù)十年使用的電子學(xué)器件進行保護。一些貼膜還可以在它們完成任務(wù)如傷口愈合后，無害化地溶解掉。

材料和設(shè)計在減少傳感器件為穿戴者所感知方面，有許多工作可以做。目前的貼膜常規(guī)包括包埋在一種有機硅彈性體基體內(nèi)部的超薄硅電子器件。未來，有機聚合物可用來制造能夠自我修復(fù)的生物傳感器。不同的軟材料將可以擁有它們自己的功能，比如可以抗微生物或者能夠在檢測某種生物化學(xué)物時改變其顏色。電能供應(yīng)方面，可以從機體運動或者熱能或血流的變化中進行收集，而不再用通過電池進行供應(yīng)。

數(shù)據(jù)傳感器的組合需要進行設(shè)計來適應(yīng)特定的應(yīng)用條件。例如，對于帕金森病來說，只要有一個手掌上的單一傳感器就足以檢測到震顫。但對于中風患者來說，描述他們走路時腳著地的力度、吞咽的力度或睡眠的質(zhì)量需要額外的傳感器和數(shù)據(jù)輸出——從加速度計、陀螺儀、微流體傳感器到心電圖和肌電圖(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)該安裝在身體上收集信息的最佳位置——例如，心電圖信號應(yīng)該記錄在胸部，而不是手腕上。腳踝上的傳感器可以更好地評估步態(tài)。將需要過濾掉噪音，還將需要做出決策：是否將所有數(shù)據(jù)流到云或在芯片上對它們中的一些進行處理更好，并且是否只傳遞從基本數(shù)據(jù)中提取出的關(guān)鍵參數(shù)或見解，以發(fā)出警告或注意的形式。

研判需要開發(fā)數(shù)字儀表盤，使醫(yī)生和病人能夠跟蹤輸出信息、記錄變化并做出臨床決策。機器學(xué)習(xí)模型需要改進，例如預(yù)測病人出院后、能夠在沒有幫助的情況下安全地行走或進食需要多長時間。社區(qū)的長期監(jiān)測將有助于醫(yī)生評估中風康復(fù)、帕金森病和其他疾病的演變情況。

行為需要更多地了解病人如何在日常生活中使用生物傳感器。如果人們要連續(xù)幾周或幾個月佩戴這些設(shè)備，那么這些貼膜就必須看起來是可以接受的，并且具有理想的吸引力。他們應(yīng)該是舒適的，并在洗澡或鍛煉時與皮膚保持良好的接觸。雖然一些傳感器現(xiàn)在小到可以用手指甲裝上，薄到不能透過衣服看到，但它們還需要變得更小更薄。

臨床應(yīng)用

要盡快將這些技術(shù)應(yīng)用到病人身上，需要在三個方向上采取行動：驗證、監(jiān)管和數(shù)據(jù)保護。

為了加快進入臨床，軟性生物傳感器必須針對未得到滿足的醫(yī)療需求，比如家庭心理健康監(jiān)測。生命體征、神經(jīng)內(nèi)分泌、嗜神經(jīng)細胞和炎癥生物標志物的變化，可能會產(chǎn)生目前臨床醫(yī)生無法獲得的戰(zhàn)略眼光。如果有社交孤立和孤獨的跡象，可以安排護理員前來探望或親人打來電話。

在缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的國家，無線健康監(jiān)測還可能使衛(wèi)生保健發(fā)生革命性變化。2019年晚些時候，我們將與非營利性組織比爾及梅林達·蓋茨基金會和拯救兒童基金會合作，在包括贊比亞、肯尼亞和南非在內(nèi)的幾個非洲國家的婦產(chǎn)科醫(yī)院試用我們的生物傳感器。這些貼片將追蹤孕婦及其嬰兒在懷孕期間的生理數(shù)據(jù)，如身體活動、血壓和呼吸頻率，并對胎兒缺氧或即將出血等并發(fā)癥發(fā)出警告。

監(jiān)管部門的批準至關(guān)重要，而且很難獲得?，F(xiàn)有的管理框架已經(jīng)將大部分硬件進行了覆蓋，算法則不。但有令人鼓舞的跡象表明，軟件應(yīng)用程序可以進入監(jiān)管程序。在過去幾年中，F(xiàn)DA批準了機器學(xué)習(xí)技術(shù)用于糖尿病視網(wǎng)膜病變的診斷，這是第一種帶有嵌入式傳感器（AbilifyMyCite）的藥片，以及一款治療阿片類藥物使用障礙（reSET-O）的應(yīng)用程序。FDA的預(yù)認證計劃允許在正式評估之前部署來自某些可信開發(fā)人員的醫(yī)療軟件。

鑒于設(shè)備、數(shù)據(jù)、軟件和療法之間的界限不斷模糊，監(jiān)管必須迅速適應(yīng)新的變化、與時俱進。應(yīng)特別注意的領(lǐng)域是那些需要最高和風險要求最低的臨床領(lǐng)域：包括罕見疾病、兒科、婦女健康和老年學(xué)領(lǐng)域。

在新生兒重癥監(jiān)護病房，足夠柔軟的傳感器可用于早產(chǎn)兒皮膚，以監(jiān)測生命體征

數(shù)據(jù)安全必須是頂級優(yōu)先，尤其是病人信息。1996年，美國《健康保險可攜性與問責法》為病人信息的機密處理制定了指導(dǎo)方針。但這遠遠早于移動設(shè)備和可穿戴傳感器的爆炸式發(fā)展，新的形勢需要新的法律框架。病人必須擁有他們自己的數(shù)據(jù)。而且必須非常小心，確保公司不會未經(jīng)批準就利用醫(yī)療數(shù)據(jù)獲取商業(yè)利益，或者在能和不能使用這項技術(shù)的人之間造成分裂。

鑒于私營企業(yè)在保護消費者隱私方面的不良記錄，需要在國家和國際層面充分發(fā)揮政治領(lǐng)導(dǎo)的作用。必須制定政策來防止雇主和保險公司對擁有特定數(shù)據(jù)檔案的人進行歧視，就像《2008年美國基因信息不歧視法案》保護工人一樣。如有違背，應(yīng)給予嚴重的財政和法律懲罰。

這些傳感器系統(tǒng)的費用將如何支付，醫(yī)生對數(shù)據(jù)的解釋和處理將如何獲得補償，這些都還有待觀察。不過，衛(wèi)生保健資助者應(yīng)該優(yōu)先支持那些一流的生物集成傳感器系統(tǒng)，因為它們有可能提高醫(yī)療質(zhì)量、降低醫(yī)療成本。這與美國轉(zhuǎn)向以價值為基礎(chǔ)的醫(yī)療服務(wù)的趨勢相吻合。在美國，醫(yī)療保險公司和聯(lián)邦醫(yī)療保險等政府計劃正在根據(jù)療效而不是簡單的報銷服務(wù)來選擇治療方案。

展望

技術(shù)進步將需要材料和設(shè)備工程師、數(shù)據(jù)科學(xué)家和醫(yī)療專家之間的密切合作。用戶和護理人員需要更緊密地參與進來。

在設(shè)備商業(yè)化之前，來自政府、企業(yè)投資和慈善基金會的跨學(xué)科資助將是收集概念驗證數(shù)據(jù)必不可少的。例如，紐約市的邁克爾·?？怂够饡蜑槿蚪】殿I(lǐng)域的可穿戴技術(shù)提供了資助項目。

相關(guān)公司需要改進設(shè)備的制造工藝，使其將硬骨骼組件和軟組織樣材料組合在一起。產(chǎn)量和通量需要提高，以確保質(zhì)量和降低成本。需要自動化工具來設(shè)計電路和機械部件的布局和拓撲結(jié)構(gòu)。

這項努力是值得的：生物集成傳感器有潛力改變醫(yī)學(xué)的幾乎所有方面。