理解柔性生物传感器的重要性和未来需要克服的挑战

要使可穿戴式传感器更加广泛应用,仍必须克服诸多挑战。比如,材料、设备和电路设计方面的创新必须使柔性生物传感器更小、更薄、更轻、更节能。

  近来,美国西北大学John A. Rogers团队在国际顶级期刊发文对皮肤传感器应用研究领域进行相关评述。文中认为,随着皮肤传感器的应用研究不断深入,相信在未来十年内,将会有越来越多的人将佩戴这种传感器。传感器收集的数据,可用于监测生命体征、指标异常和跟踪治疗。

理解柔性生物传感器的重要性和未来需要克服的挑战

柔性生物皮肤传感器材料,资料图

  作为一种生物传感器,皮肤传感器的广泛应用,将使更多的医疗健康问题将被提前监测预警。即使病人身处家中,医生也可通过远程监测病人的康复情况,并在病人病情恶化时及时干预。此外,流行疫情爆发也将会被迅速跟踪监测,使相关部门能够迅速调动资源,查明易感群体,并监测所发放药物的安全性和有效性。

  第一代生物传感器可监测生物物理信号,如心律、呼吸、温度和运动。更先进的传感器正在喷薄而出,有些可监测某些生物标志物,如葡萄糖,以及吞咽和言语等行为。一些商品化的传感器,也在逐渐应用到临床实践中。如一次性贴片可连续监测来自心脏的电脉冲数十天,这比间歇性去医院检测异常指标方面更有效。但它是体积较大且临时性的,数据也必须在使用后下载,而不是实时传输。

  要使此类可穿戴式传感器更加广泛应用,仍必须克服诸多挑战。材料、设备和电路设计方面的创新必须使柔性生物传感器更小、更薄、更轻、更节能。测量的准确度、精密度和范围必须提高。同时监测、成本、可靠性和数据安全性也都需要关注。

理解柔性生物传感器的重要性和未来需要克服的挑战

监测婴儿体征的柔性传感器,资料图

  在材料和设计层面,要使佩戴者对设备不敏感,仍需做一些工作。如今大部分还是超薄的硅电子器件,以后有机聚合物可用来制备自修复的生物传感器,且可以赋予更多功能化,如抗菌,自修复,控制颜色变化等,而能量可以从身体运动或热量或血流的变化中获取,而非从电池中获取。

  在数据层面,传感器的组合需要设计为适合特定的条件。为提高数据质量,传感器应放置在身体的最佳位置以收集信息、滤掉噪音;还需决策是否根据需要将数据传输到云或处理其中部分数据,且将关键的参数和数据提取出以发出预警。

理解柔性生物传感器的重要性和未来需要克服的挑战

传感器应放置在身体的最佳位置以收集信息,资料图

  例如,对于帕金森病,手上的单个传感器足以检测震颤,但是,在中风患者中,需要描述他们的脚在行走时困难程度、吞咽力或睡眠质量需要额外的传感器监测和数据输出——从感应器、陀螺仪、微流体传感器和心电图和肌动电流描记器 (分别测量心脏和肌肉中的电活动)。为了提高数据质量,这些传感器应放置在身体的最佳位置以收集信息,如心电图信号应记录在胸部,而不是手腕上。

  此外,还需要开发数字仪表板,使医生和患者能够跟踪输出数据、记录变化并做出临床决策。例如,预测患者出院时间或在没有帮助的情况下能够安全地行走或自理需要多久。长期跟踪监测将有助于医生评估中风恢复、帕金森病和其他疾病的演变。

  最后,将这些技术应用到患者还将需要在审批、监管、数据保护等方面采取措施。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之间的密切合作,同时,来自政府、企业投资和慈善基金会的跨学科资金,对于在设备商业化之前,统计概念验证数据至关重要。公司需改进设备的制造流程,开发自动化生产程序,提高产量,确保质量和降低成本。总之,在方方面面,柔性生物集成传感器的研究与开发工作,有着重要的意义与价值。

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