媒体报导

前言

/

健康和疾病状况的管理最终将得到集成度更高且不那么显眼的无线生物电子设备的支持，这些设备旨在连续监测多种生物标志物。

Wei Gao和同事展示了一款可穿戴式无线皮肤贴片。

Nat. Biomed. Eng. | Editorial

连续监测健康状况的设备需要哪些特性和功能呢？以当今的智能手表和其他用于健身追踪的可穿戴设备为指导，三个一般特征似乎至关重要：无需电线的可穿戴性、无需零件的多功能性以及无需笨重的可靠性。健康监测设备——或者至少是它们与身体的接口——应该在很大程度上不显眼，并且最好是无线的、以便使用起来舒适；应该能够测量多个生理信号以提供丰富的健康数据，最好在单个设备或接口内，并且测量结果应该可靠且不牺牲设备占用空间。

通过利用电子产品日益显著的小型化和高效率[1,2]，以及材料、器件设计和制造策略[3]等方面的进步，可以更好地平衡这些功能和工程限制。当然，每个预期的健康应用（例如监测健康状况、检测疾病的发作或跟踪已知病症的进展或治疗的有效性），特别是对生物标志物的身体来源和类型进行监控，将确定所使用的设备和技术的具体功能和限制。每种类型的传感技术、材料和制造方法都有其自身的局限性。例如，决定在何处测量生物标志物的浓度（例如，在血液中、在间质液中或在汗液中）需要考虑准确性（特别是灵敏度）、可靠性和设备侵入性。并且监测来自身体远端部位的生物标志物可能需要多个单独的传感器，从而带来了设备集成和数据管理方面的挑战。

在23年10月发布的当年第10期《自然·生物医学工程》重点介绍了可穿戴、可摄入和植入式生物电子设备在连续监测健康状况、疾病进展或治疗效果方面的7项研究。所有突出的研究进展都处于技术开发的相对早期阶段，并为该技术的预期用途进行了概念验证。它们都涉及对最先进的材料、传感器和方法的合理设计、使用、适应或优化，以最好地满足预期应用的特定需求和限制。

患有心血管疾病的人将受益于可以实时监测血管血流动力学的小型且不受限制的设备。如今，用于监测患者心血管系统的设备涉及导管和与外部电子设备的有线连接，因此通常不适合门诊病人的要求。迄今为止，用于测量血液动力学的无线设备可以跟踪血压或血流。John Rogers和同事演示了一种集成的小型植入物，可以连续、同时跟踪血压、流速和温度，并以无线方式传输数据和接收电力。该传感器适用于有心力衰竭或中风风险的患者，可以通过微创经导管手术植入，也可以安装在手术夹、血管内支架、心脏瓣膜假体和其他标准临床设备上。正如研究人员在猪（将装置植入肺动脉内）和羊（将装置安装在主动脉支架上）中所展示的那样，该装置的性能与监测血流和压力的临床装置达成一样。由于植入物与血液接触，因此该装置必须满足长期生物相容性和使用可靠性的要求。

心力衰竭风险极高的患者通过导管设备对心输出量和血管阻力进行侵入性监测。当风险较低时，通常会指示患者在家中频繁测量血压并报告任何相关症状（例如头晕或疲劳）。在John Rogers、Daniel Franklin及其同事的另一篇文章中，研究人员报告了一种非侵入式可穿戴技术，用于连续测量心血管健康的多种生物标志物。该技术涉及将传感器放置在身体的不同部位（心脏旁边的胸部；靠近外周动脉，例如手腕或手指上），并记录与血管阻力、心输出量和血压调节相关的指标，通过胸部心电图、心脏振动描记法和外周多光谱光电体积描记术的同步传感器进行。研究人员表明，同步可穿戴设备可用于对健康人、高血压患者和心脏手术恢复期患者因多种刺激（例如暴露于热或冷、体育锻炼或屏气，以及术后低血压期间使用血管加压药）而产生的血流动力学状态进行分类。

心血管疾病和许多其他疾病会升高血液中炎症生物标志物的水平。然而，以足够的灵敏度对其进行定量需要抽血和费力的分析程序。相反，实时监测炎症生物标志物（最好是汗液中的炎症生物标志物，因此是非侵入性的）将允许跟踪疾病的进展。然而，可靠地测量汗液中的蛋白质水平需要解决汗液成分中巨大的人际和个人差异所带来的挑战。Wei Gao和同事展示了一款可穿戴式无线皮肤贴片（本文第一张图），用于实时检测汗液中的炎症生物标志物 C 反应蛋白，以及离子强度、pH 值和温度。该设备结合了自主汗液感应（通过离子电渗疗法）、汗液采样和试剂路由和更换（通过微流体学）以及原位免疫传感（电化学，通过带有 C 反应蛋白抗体功能的石墨烯电极）的技术。研究人员表明，血液和汗液中炎症生物标志物的水平高度相关，并且该设备在患有慢性阻塞性肺病、患有活动性感染或既往感染或患有心力衰竭的患者的汗液中测量到高水平的炎症生物标志物。然而，该设备需要针对可用性进行优化，

可以在汗液中测量的生物标志物也有助于监测大脑状况。例如，在记录脑电图的同时测量乳酸水平可以帮助区分癫痫发作和非癫痫混杂因素[4]。此外，代谢生物标志物与大脑功能有关[5]。Gert Cauwenberghs、Joseph Wang、Sheng Xu、Patrick Mercier 及其同事报告了安装在耳塞上的可穿戴传感器，用于同时检测耳道内的代谢和电生理学。具体来说，研究人员通过志愿者在剧烈运动时使用该设备证明使用该设备记录汗液中的乳酸水平，并通过脑电图、眼电图和皮电活动能够监测大脑状态。

组织的机械行为也可以被视为疾病生物标志物的来源。例如，患病组织的杨氏模量可以反映潜在的病理生理状况[6]。组织模量可以通过磁共振成像、超声或光学相干成像的弹性成像来测量，但这些设备通常体积庞大，并且便携式版本通常不允许以足够的空间分辨率进行频繁测量。基于组织抽吸、压痕或压缩的技术也可以探测组织，但只能探测其表层。为了实现频繁和连续的测量，Sheng Xu 和同事描述了超声波电极阵列符合人体组织，可以以低于毫米的空间分辨率对皮肤深处的组织进行连续、非侵入性弹性成像测量。研究人员通过在志愿者肌肉延迟出现酸痛之前绘制和监测微观结构损伤以及监测物理治疗期间肌肉损伤的恢复来举例说明阵列的实用性。然而，该设备原型需要用于数据和电力传输的电线以及基于桌面的控制系统，但低功耗集成电路和锂聚合物电池技术可以使该技术变得便携甚至可穿戴。

治疗神经系统肿瘤通常需要手术切除并使用术中神经生理学监测来保持神经的结构和功能完整性。然而，显微手术过程中很难保持稳定可靠的近场电位记录（且远场电位较弱，需要长时间采集）。Wang Jia、Zhenan Bao、Deling Li及其同事利用柔软且可拉伸的导电聚合物来制造神经包裹电极，在显微手术期间连续记录近场动作电位，从而无需解剖标志即可精确定位目标神经。研究人员通过监测肿瘤切除显微手术后大鼠和兔子的术后行为和神经生理功能来验证该设备的性能。

对于胃肠道肿瘤，有时在手术切除肿瘤之前或之后使用放射治疗作为辅助治疗。监测胃肠道中的 X 射线辐射剂量可以提高放射治疗的精度，但放置在皮肤附近的临床剂量计的准确性受到组织的光子衰减和组织异质性的阻碍。Xiaogang Liu、Bin Zhou、Zonghai Sheng及其同事设计了一种可吞咽式 X 射线剂量计，其中包含具有持续发光功能的稀土掺杂纳米闪烁体，用于无线监测胃肠道内的绝对吸收辐射剂量（来自放射发光、余辉强度和温度的测量） 。但正如Louis Archambault 在相关的新闻与观点文章中指出的那样：“可吞咽的胶囊很方便，但它是以探测器位置的精准控制为代价。”

为了使所有这些原型具有有意义的临床前景，它们将需要对其预期用途和用户的功能和安全性进行更强有力的验证。许多设计考虑因素都需要优化，例如，出发点是最佳地适应特定的身体区域、最大限度地减少整体设备占用空间、低功耗数据采集和数据传输、或长期可靠性。这样做的好处是能够连续监测多种生物标记物，特别是在无线和非侵入性的情况下，其好处是显而易见的——最值得注意的是，可以更轻松地监测健康、疾病和治疗结果，并更早地发现疾病的发作。

*本文由李升伟编译，医工学人排版。中文解读仅供参考，一切内容以英文原文为准。如涉及版权问题，请联系我们删除。

▼参考文献

[1] Nat. Biomed. Eng. 1, 0053 (2017).

[2] Nat. Biomed. Eng. 4, 933–934 (2020).

[3] Nat. Biomed. Eng. 3, 1–2 (2019).

[4] Doğan, E. A., Ünal, A., Ünal, A. & Erdoğan, Ç. Epilepsy Behav. 75, 13–17 (2017).

[5] Gaitan, J. M. et al. Front. Endocrinol. 12, 660181 (2021).

[6] Ayad, N. M. E., Kaushik, S. & Weaver, V. M. Phil. Trans. R. Soc. B 374, 20180215 (2019).

来源 | Nature Biomedical Engineering

编译 | 李升伟

编辑 | 罗虎

排版 | 罗虎

审核 | 医工学人