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)備來實現(xiàn)，這些設(shè)備旨在持續(xù)監(jiān)測多種生物標(biāo)志物。

持續(xù)監(jiān)測人體健康狀況的設(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，最好在一個設(shè)備或接口內(nèi)提供豐富的健康數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)多種生理信號的監(jiān)測。同時，測量結(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)計和制造策略的進步來更好地平衡。當(dāng)然，每種預(yù)期的健康應(yīng)用（例如監(jiān)測健康狀況、檢測疾病發(fā)作，或者跟蹤已知疾病的進展或治療的有效性），特別是所監(jiān)測的生物標(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)志物可能需要多個獨立的傳感器，這給設(shè)備集成和數(shù)據(jù)管理帶來一定的挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，Nature Biomedical Engineering期刊刊登了一篇題為“Ever easier health monitoring”的評論文章，重點介紹了可穿戴、可攝入和可植入生物電子設(shè)備在持續(xù)監(jiān)測健康狀況、疾病進展或治療效果方面的七項研究進展。目前，這些研究成果都處于技術(shù)發(fā)展的相對早期階段，研究人員們對這些技術(shù)的預(yù)期用途提供了概念驗證證據(jù)，涉及對最先進材料、傳感器和方法的合理設(shè)計、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時監(jiān)測血管血流動力學(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，用于測量血液動力學(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)備植入肺動脈）和羊（將設(shè)備安裝在主動脈支架上）的實驗進行了驗證。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)險極高的患者需要通過導(dǎo)管設(shè)備進行心輸出量和血管阻力的侵入性監(jiān)測。當(dāng)風(fēng)險較低時，醫(yī)護人員通常會指導(dǎo)患者在家中頻繁測量血壓并報告相關(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，報道了一種非侵入式可穿戴技術(shù)，可用于連續(xù)測量與心血管健康相關(guān)的多種生物標(biāo)志物。這項技術(shù)包括放置在身體不同部位的傳感器（靠近心臟的胸部；靠近外周動脈，如手腕或手指），并通過與胸部心電圖、地震心動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)備可用于對健康個體、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）引起的血液動力學(xué)狀態(tài)進行分類。

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其定量分析需要抽血和復(fù)雜的分析程序。相反，對炎癥生物標(biāo)志物的實時監(jiān)測（最好是在汗液中）可通過非侵入式實現(xiàn)，以用于對疾病進展的追蹤。然而，要可靠地測量汗液中的蛋白質(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，可用于實時檢測汗液中的炎癥生物標(biāo)志物C反應(yīng)蛋白，以及離子強度、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，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)備還需要針對可用性進行優(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

可以在汗液中測量的生物標(biāo)志物也有助于監(jiān)測大腦狀態(tài)。例如，在記錄腦電圖的同時測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等研究人員報道了一種安裝在耳塞上的可穿戴式傳感器，可用于同時感知耳道內(nèi)的代謝和電生理信號。研究人員證實，該設(shè)備可用于檢測汗液中的乳酸水平，并通過腦電圖、眼電圖和皮膚電活動來監(jiān)測大腦狀態(tài)，該設(shè)備性能已在劇烈運動的志愿者中進行了驗證。

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行頻繁測量?；诮M織抽吸、壓痕或壓縮的技術(shù)也可以探測組織，但只能探測其表層。為了實現(xiàn)頻繁和連續(xù)的測量，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的空間分辨率對皮膚深處的組織進行連續(xù)、非侵入性的彈性測量。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)測微結(jié)構(gòu)損傷，以及在物理治療期間監(jiān)測肌肉損傷的恢復(fù)，驗證了該陣列的實用性。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，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)定可靠的近場電位記錄（遠(yuǎn)場電位較弱，需要長時間采集）。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)記錄近場動作電位，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

對于胃腸道腫瘤，放射治療有時在手術(shù)切除腫瘤之前或之后用作輔助治療。監(jiān)測胃腸道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的準(zhǔn)確性會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)計了一種可吞咽的X射線劑量計，該劑量計含有可持續(xù)發(fā)光的鑭系摻雜納米閃爍體，可用于無線監(jiān)測胃腸道內(nèi)絕對吸收輻射劑量（通過測量放射發(fā)光、余輝強度和溫度）。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，但其代價是無法精確控制探測器的位置”。

圖7 Xiaogang Liu等研究人員提出的可吞咽X射線劑量計

為了使上述這些設(shè)備原型實現(xiàn)有價值的臨床應(yīng)用前景，還需要對其功能和安全性進行更有力的驗證，以更好地滿足預(yù)期功能和用戶需求。很多設(shè)計還需要進一步優(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，可以實現(xiàn)對多種生物標(biāo)志物的持續(xù)監(jiān)測，尤其是能夠更輕松地監(jiān)測健康、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