皮膚傳感器：健康產業中的革命性力量

編譯 李升偉

皮膚傳感器是一類超薄、靈活、無線的監測系統，可以使醫學變得更加可預測、更加個性化。

加州舊金山iRhythm公司的一次性Zio貼片可以連續兩周監測心率，以發現異常情況

作為粘貼在皮膚上超薄、柔軟的電子系統，皮膚傳感器正在給衛生護理業帶來革命性變化。數以百萬計的早期版本的傳感器、計算機和發射器被編織成可彎曲的薄膜、貼片、繃帶或紋身，僅在神經學應用領域就進行了數十項試驗，而且這種數量正在迅速地增加著。十年內，許多人將一直佩戴這種傳感器。他們收集的數據將被輸入到機器學習算法中，以監測生命體征、發現異常和跟蹤治療。

利用此類傳感器，可以對許多醫療問題進行早期發現。當病人在家中康復療養時，醫生們可以對病人的康復情況進行遠程監控，并在他們病情惡化時進行干預。疫情高峰將被迅速標記出來，從而使政府部門能夠調動資源，查明易受感染人群，并監測所發藥物的安全性和有效性。所有這些將使得衛生護理事業更加可預測、更加安全和更加有效。

這項技術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，如心臟節律、呼吸、體溫和運動機能。目前正在出現一些更為先進的系統，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進行商業化運作，它們可以對臨床數據進行持續性的測量。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14天監測心臟的電脈沖，在檢測心律異常方面比醫院的間歇性檢查更有效。但它體積略大，而且是臨時的，數據必須在使用后下載，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絡。它們可以無線傳輸數據，而且足夠柔軟，可以放在早產兒的胸前，而不會損傷他們脆弱的皮膚。當護士、醫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用，必須克服許多挑戰。在材料、設備和電路設計方面的創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。監管、成本、可用性和數據安全都需要關注。

在此，我們概述了行動的優先事項。

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都只能收集生物物理信號。生物化學標記物，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：細胞健康和器官功能（如電解質）、免疫系統（細胞因子）和藥物相互作用（代謝產物）。人們正在研發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。如果實現對汗液中蛋白質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，這還將要求人們發現新的化學檢驗和化驗種類。

工具成像能力和光譜學能力的具備還將實現對機體的實時評估。這方面的例子有光學一致性X線斷層攝影術、共聚焦顯微鏡、喇曼光譜學和雙光子激發顯微鏡。如果這些系統能夠得到微型化，它們將可以在不需要進行針刺取樣或外科手術的情況下對皮膚腫瘤進行診斷。目前，它們仍然還很昂貴、笨重、布滿了各種線圈。

治療那些可以產生皮膚感覺的界面，比如振動，可以改善康復狀況，尤其是在語言和運動治療中。可以通過皮膚貼片對藥物進行滲透性傳輸，這樣的藥物已經用在運動性疾病（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、聽覺或熱學等手段進行刺激，例如，可以應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性疾病或控制疼痛。

植入物柔軟的傳感器系統可以在體內使用。一種薄軟的植入物可以包埋在心臟或脊柱內部從而對其進行監測和刺激。示范版的薄軟技術可以對腦電波進行示蹤，已經在小鼠、牛和非人類靈長類動物中進行了檢測。實用性挑戰包括研發生物相容性材料、制造超薄片層、并對數年或數十年使用的電子學器件進行保護。一些貼膜還可以在它們完成任務如傷口愈合后，無害化地溶解掉。

材料和設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。目前的貼膜常規包括包埋在一種有機硅彈性體基體內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物時改變其顏色。電能供應方面，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。

數據傳感器的組合需要進行設計來適應特定的應用條件。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量需要額外的傳感器和數據輸出——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)。為了提高數據質量，這些傳感器應該安裝在身體上收集信息的最佳位置——例如，心電圖信號應該記錄在胸部，而不是手腕上。腳踝上的傳感器可以更好地評估步態。將需要過濾掉噪音，還將需要做出決策：是否將所有數據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據中提取出的關鍵參數或見解，以發出警告或注意的形式。

研判需要開發數字儀表盤，使醫生和病人能夠跟蹤輸出信息、記錄變化并做出臨床決策。機器學習模型需要改進，例如預測病人出院后、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。社區的長期監測將有助于醫生評估中風康復、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。如果人們要連續幾周或幾個月佩戴這些設備，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。

臨床應用

要盡快將這些技術應用到病人身上，需要在三個方向上采取行動：驗證、監管和數據保護。

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療需求，比如家庭心理健康監測。生命體征、神經內分泌、嗜神經細胞和炎癥生物標志物的變化，可能會產生目前臨床醫生無法獲得的戰略眼光。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。

在缺乏基礎設施的國家，無線健康監測還可能使衛生保健發生革命性變化。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、肯尼亞和南非在內的幾個非洲國家的婦產科醫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據，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癥發出警告。

監管部門的批準至關重要，而且很難獲得。現有的管理框架已經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，軟件應用程序可以進入監管程序。在過去幾年中，FDA批準了機器學習技術用于糖尿病視網膜病變的診斷，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）的應用程序。FDA的預認證計劃允許在正式評估之前部署來自某些可信開發人員的醫療軟件。

鑒于設備、數據、軟件和療法之間的界限不斷模糊，監管必須迅速適應新的變化、與時俱進。應特別注意的領域是那些需要最高和風險要求最低的臨床領域：包括罕見疾病、兒科、婦女健康和老年學領域。

在新生兒重癥監護病房，足夠柔軟的傳感器可用于早產兒皮膚，以監測生命體征

數據安全必須是頂級優先，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方針。但這遠遠早于移動設備和可穿戴傳感器的爆炸式發展，新的形勢需要新的法律框架。病人必須擁有他們自己的數據。而且必須非常小心，確保公司不會未經批準就利用醫療數據獲取商業利益，或者在能和不能使用這項技術的人之間造成分裂。

鑒于私營企業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揮政治領導的作用。必須制定政策來防止雇主和保險公司對擁有特定數據檔案的人進行歧視，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，應給予嚴重的財政和法律懲罰。

這些傳感器系統的費用將如何支付，醫生對數據的解釋和處理將如何獲得補償，這些都還有待觀察。不過，衛生保健資助者應該優先支持那些一流的生物集成傳感器系統，因為它們有可能提高醫療質量、降低醫療成本。這與美國轉向以價值為基礎的醫療服務的趨勢相吻合。在美國，醫療保險公司和聯邦醫療保險等政府計劃正在根據療效而不是簡單的報銷服務來選擇治療方案。

展望

技術進步將需要材料和設備工程師、數據科學家和醫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。

在設備商業化之前，來自政府、企業投資和慈善基金會的跨學科資助將是收集概念驗證數據必不可少的。例如，紐約市的邁克爾·福克斯基金會就為全球健康領域的可穿戴技術提供了資助項目。

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

這項努力是值得的：生物集成傳感器有潛力改變醫學的幾乎所有方面。