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柔性传感器正在重塑医疗保健的未来

Jul 23, 2019 No Comments

柔性传感器正在重塑医疗保健的未来1

在新生儿重症监护室,柔软到可以贴在早产儿皮肤上的传感器可以监测生命体征。

 


Shuai Xu、Arun Jayaraman和John A. Rogers认为,超薄、灵活的无线监控系统可以使医学更具预测性和个性化。

贴附在皮肤上的、又软又薄的电子系统正引起医疗保健的一场变革。单单在神经科学领域的几十个实验中,科学家将数百万个早期版本的传感器、计算机和传送器整合到柔韧的薄膜、贴片和绷带中;并且这些传感器薄膜的数目还在不断增加。十年之内,许多人会一直戴着这样的传感器。收集的数据将被输入机器学习算法,以监控生命体征、局部异常和跟踪治疗。

通过这种实时监控,我们能尽早发现健康问题。当病人在家时,医生会远程监控病人的康复情况,如果病情恶化,医生会进行干预;疫情高峰会很快被检测到,使当局能够调动资源,识别易受伤害的人群;同时监管机构可以监测药物的安全性和有效性。所有这些都将使医疗保健更具预测性、安全性和效率。

那技术现在发展到了哪一步?第一代生物集成传感器可以跟踪生物物理信号,如心律、呼吸、温度和运动。更先进的系统正在出现,可以跟踪某些生物标志物(如葡萄糖)以及吞咽和说话等行为。

一些小公司正在努力对持续测量临床数据的柔性生物传感器系统进行商业化。这些公司包括加州圣约翰的Vital Connect、加州旧金山的iRhythm、麻省列克星敦的MC10和伊利诺斯州埃文斯顿的Sibel Health。例如,iRhythm公司的一次性Zio贴片可以连续14天监测心脏的电脉冲,在检测心律失常方面比间歇性医院检查更有效。它也有缺点,即体积庞大,而且是临时的,数据必须在使用后下载,而不是实时传输。

来自我们实验室的、更先进的传感器正在伊利诺伊州芝加哥进行临床试验。这些传感器包括更小的、可检测心率、呼吸和温度的传感器网络。它们可以无线传输数据,并且足够柔软,可以贴在早产儿的胸部,而不会损坏他们脆弱的皮肤。当护士、医生或父母想要抱婴儿时,他们不需要断开电线。类似的系统可以感知截肢者假肢接口处的压力和温度。

要使可穿戴传感器适合广泛使用,必须克服许多挑战。必须通过材料、设备和电路设计的创新,使柔性生物传感器更小、更薄、更轻和耗电更少。我们还必须提高测量的精确度、准确性和范围。同时还要注意法规、成本、可用性和数据安全。

在这里,我们概述了未来柔性传感器系统开发的优先事项。

 

待办事项列表

生物标志物。到目前为止,FDA批准的所有柔性传感器系统都只收集生物物理信号。这是因为生化特征,如葡萄糖或激素水平很难在不刺穿皮肤的情况下收集到。

一些新出现的设备通过将细丝插入皮肤来收集体液。检测汗液中的化学物质是一种很有前途的替代方法。汗液含有许多与细胞健康和器官功能(如电解质)、免疫系统(细胞因子)和药物相互作用(代谢物)有关的指标。正在开发的汗液传感器可以捕捉氯化物、葡萄糖、乳酸、尿素、肌酐、酒精、酸碱度甚至重金属。量化汗液中的蛋白质和激素水平将进一步提高这些传感器的适用性。

尽管如此,传感器需要能够收集和分析汗液,而不被污染或降解。同时还要不断丰富这些传感器能检测的化学测试和分析类型。

工具。成像和光谱学技术,如光学相干断层扫描、共焦显微镜、拉曼光谱和双光子激发显微镜,将允许对身体进行实时评估。如果这种系统可以小型化,就可以诊断皮肤肿瘤而不需要活检样本或手术。但目前这些设备仍然很昂贵,体积庞大,而且需要有线连接。

治疗。引发皮肤感知的界面可能能加强康复,特别是通过言语和运动疗法。药物可以通过皮肤贴片递送,目前传感器贴片已被用于治疗运动障碍(递送东莨菪碱)、疼痛(递送芬太尼)、避孕(递送去甲孕酮和炔雌醇)和高血压(递送可乐定)。药物的释放可以通过电、声或热触发,例如,通过对聚合物袋加热。传感器还可以提供电或热刺激来治疗神经疾病或调节疼痛。

 

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在加利福尼亚旧金山,一次性Zio贴片可以连续两周监测心率,以检测心律失常。

 

植入物。柔性传感器系统可以在体内使用。一个薄而柔韧的植入物可能被包裹在心脏或脊柱周围,以监测和刺激心脏或脊柱。科学家已经在小鼠、奶牛和非人类灵长类动物身上测试了植入式柔性传感器在跟踪大脑电活动方面的表现。实际挑战包括开发生物相容性材料和制造可以保护电子元件几十年的超薄膜结构。一些贴片在完成使命后可能会降解,就像伤口愈合一样,不会对身体产生任何不利的影响。

材料和设计。目前的柔性传感器系统在减少佩戴者对设备的感知方面还有所欠缺。现在的贴片通常用硅弹性体基体包裹超薄硅电子元件。未来,有机聚合物可以用来制造自我修复的生物传感器。而软质材料还会被赋予一系列功能,比如抗菌,或者如果检测到生化物质就能够变色。能量可以从身体运动或热量或血液流动的变化中获得,而不是从电池中获得。

数据。传感器组合需要因病制宜,根据疾病特征进行设计。例如,对于帕金森氏病,手上的一个传感器就足以检测到震颤。但是,对于中风患者来说,描述他们走路时的脚撞击地面的强度、吞咽的强度或睡眠的良好程度需要更多的传感器和数据输出——需要增加加速度计、陀螺仪、微流体传感器,以及心电图机和肌电图(分别测量心脏和肌肉的电活动)。为了提高数据质量,这些传感器应该放在最合适的部位来收集信息——例如,心电图信号应该从胸部收集,而不是手腕上;脚踝上的传感器可以更好地评估步态。噪声需要被过滤掉。同时,需要确定是将所有的数据上传到云端,还是在芯片上处理其中的一些数据,并以警告或通知的形式传输从基础数据中提取的关键参数或见解。

数据解读。需要开发数字仪表盘,使医生和患者能够跟踪输出、记录更改并做出临床决策。机器学习模型需要改进,例如预测患者什么时候能出院或能够在没有帮助的情况下安全行走或进食需要多长时间。社区的长期监测将有助于医生评估中风康复、帕金森病和其它疾病的演变。

行为。更多需要了解的是病人在日常生活中如何使用生物传感器。如果人们要在数周或数月内佩戴这种设备,那么这些贴片就需要看起来可以接受,并且具有理想的吸引力。在清洗或锻炼时,它们应该是舒适的,并与皮肤保持良好的接触。尽管一些传感器现在足够小,可以安装在指甲上,而且足够薄,在衣服的掩盖下不易被察觉,但它们仍然需要进一步变小、变薄。

 

临床实践

推动这些技术的临床转化将在三个方面采取行动:验证、监管和数据保护。

为了加快进入临床转化的速度,柔性生物传感器必须针对未满足的医疗需求,如心理健康开展监测。通过检测生命体征和神经内分泌、神经性和炎性生物标记物的变化,柔性传感器可能产生临床医师目前无法获得的见解。社会孤立和孤独的迹象可能会促使护理者前来探望,或是亲友打来电话。

无线健康监测还可以彻底改变缺乏基础设施的国家的医疗保健。今年晚些时候,我们将与非营利性组织比尔和梅林达盖茨基金会(Bill & Melinda Gates Foundation)和救助儿童会(Save the Children)合作,在赞比亚、肯尼亚和南非等几个非洲国家产科诊所试用生物传感器。这些贴片将跟踪生理数据,如孕期妇女及其婴儿的体力活动、血压和呼吸频率、胎儿缺氧或即将发生的出血等并发症的警告。

监管部门的批准至关重要,而且很难获得。硬件在很大程度上被现有的监管框架所覆盖,而算法则相对被忽略。但有令人鼓舞的迹象表明,软件应用程序可以得到监管。在过去的几年里,FDA已经批准了机器学习技术来诊断糖尿病视网膜病变,这是第一种内置传感器的药丸(Abilify Mycite)和一种治疗阿片类药物使用障碍的应用程序(reSET-O)。FDA的预认证计划允许在正式评估之前部署来自某些可信开发人员的医疗软件。

随着设备、数据、软件和治疗之间的界限不断模糊,法规必须迅速调整。应当关注需求最紧迫、风险最小的领域,例如罕见疾病、儿科、妇女健康和老年病学中的一些领域。

数据安全必须是首要任务,尤其是患者信息。美国健康保险携带和责任法案(US Health Insurance Portability and Accountability Act)于1996年为患者信息的保密处理制定了指导方针。但这是在移动设备和可穿戴传感器技术大爆发之前所制定的。现在需要新的框架。患者必须拥有自己的数据。必须谨慎确保公司不会在未经批准的情况下利用医疗数据获取商业利益,或者明确定义哪些人群可以使用这种技术。

鉴于私营企业在保护消费者隐私方面的不良记录,国家和国际层面的行动非常重要。政策必须防止雇主和保险公司歧视具有特定数据特征的人,就像2008年美国遗传信息非歧视法(US Genetic Information Nondiscrimination Act)保护工人一样。歧视和偏见应受到严重的财务和法律制裁。

如何支付这些传感器系统的费用,以及如何付费让医生解读数据,还有待观察。但可以确定的是,医疗基金应该加大生物集成传感器系统方面的投资,因为它们可以潜在地提高护理质量,并降低成本。这与美国转向以价值为基础的医疗的趋势相吻合,在美国,医疗保险公司和政府计划(如医疗保险)正在根据疗效而不是简单的补偿服务来选择治疗方案。

 

前景展望

技术进步需要材料和设备工程师、数据科学家和医疗专业人员的密切合作。用户和护理人员需要更密切地参与进来。

政府、企业投资和慈善基金会的跨学科资助对于在设备商业化之前收集概念验证数据至关重要。例如,Michael J. Fox Foundation资助了全球卫生领域可穿戴技术的项目。

公司需要改进制造工艺,从而生产出硬骨骼类材料和软组织类材料。生产的产量和吞吐量需要提高,以确保质量和降低成本。电路的设计和机械部件的布局和拓扑结构的设计都需要自动化。

这项努力将是值得的:生物集成传感器有潜力改变医学的各个方面。

 

原文检索:
Shuai Xu, Arun Jayaraman & John A. Rogers. (2019) Skin sensors are the future of health care. Nature, 571:319-322.
张洁/编译

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