科学家尝试用可穿戴设备获取数据监测健康
时间:2017-12-07

  科学家试图获取有关可穿戴设备的数据来监测健康状况 - 新闻 - 科学网

  他们越来越接近我们,我们自然可以想象,他们最终会与人体相处融洽。

  表面传感器需要像皮肤一样灵活和可拉伸。

  图片来源:A. Chezi re

  戈兰·古斯塔夫松(Goran Gustafsson)用数十年前在流水线上生产的汽车的旧模型来观察行人的眼睛。古斯塔夫松说,今天的汽车配备了高端的传感器,计算机和通讯系统,以提醒他们仍然可以处理的问题,这就是为什么现代车辆不太可能给司机造成灾难性事故的原因。

  我们为什么不在人体中尝试同样的东西呢?瑞典Acreo电子公司的工程师Gustafsson认为,位于斯德哥尔摩附近的Kista公司是世界上正在试图这样做的公司之一。正如汽车不会中途倒下一样,为了防止隐患进入医院直到病人进入医院,研究小组希望在可预见的将来,人类将像汽车一样打扮,给人类一个类似的预警系统传感器。

  Gustafsson的研究小组与瑞典林雪平大学的研究人员合作,共同开发类似皮肤的植入式传感器,以及一个在体内局域网,使得这些传感器在独立行动时彼此连接。可以感应动脉粥样硬化(心脏病发作)的传感器的皮肤贴片到检测癫痫发作的传感设备,并自动将药物直接传送到受影响的区域。

  这些下一代设备被设计为与身体组织协同工作,而不是像大多数当前的起搏器和其他电子设备那样独自行动。但是将这些器件集成在一起所需要的技术并不容易,特别是对于那些需要大幅度缩短电路并创建人体组织不能察觉到的灵活可伸缩电路并找到与人体接口的材料科学家来说,这种技术并不容易。新通道实施Gustafsson使用该装置来监视和治疗人体的愿景也需要新的方式来开辟新的能量来源并传递信息。

  伊利诺伊州立大学的材料科学家约翰·罗杰斯(John Rogers)说,研究人员和临床医生现在迫切需要面对急剧改善健康管理和降低成本的挑战。我遇到的临床医生没人会说这简直就是天空中的一颗馅饼,不现实,20年后不相信看结果。相反,他说,哇,这是一个好主意,现在我们可以通过三个渠道来使用它,最好是共同尝试一个。

  罗杰斯说,将传感器移入人体是手持智能手机和可穿戴设备的自然延伸。电子设备在脸上。他说,他们越来越接近我们,我们自然可以想象,他们最终会与人体相处融洽。

  薄如皮

  超越可穿戴设备的第一步是无线传感器,可直接在皮肤上使用,收集大量重要信号,如体温,脉搏率,心率等。然而,罗杰斯说,缺点是它们需要具有生物学上的灵活性,可伸缩性和肿胀性,所以传统上用硬硅胶制成的电子传感器并不是一个好的选择。

  他和他的团队为此开发了一种皮肤电子:一种灵活的,可生物降解的贴片,内部充满了传感器,使用户几乎看不到它。像许多临时纹身,这些贴片利用普通硅电子,但薄而灵活的橡皮图章。采用S形导线和可伸缩的弯曲天线,该贴片从附近的磁场吸收能量或捕获无线电波。他们利用波浪的几何形状,当你伸展时,波浪将像手风琴波纹一样变化。罗杰斯说。

  作为联合创始人的罗杰斯在马萨诸塞州列克星敦成立了一家名为MC10的公司,该公司明年将开始推广生物图标设备:临床测量健康数据,如心电图活动,体温,紫外线照射和更多补丁。罗杰斯表示,补丁将首先分发给个人消费者,但最终的目标是医疗应用。在Urna Nacala基金会的新生儿重症监护室,医生正在使用这些补丁扫描新生儿症状,无需扫描和无损伤,很快就会显示测试结果。 MC10还与比利时布鲁塞尔UCB的一家制药公司合作,测试帕金森患者的震颤症状,追踪疾病并监测病人的依从性。

  罗杰斯贴片相对较小,但是日本高雄的工程师和材料科学家已经开发了一种相对较大面积的电子皮肤传感器。其最新的传感器厚度仅为1微米,其质量足够轻,能像羽毛一样漂浮在空中,而且材料足够坚固,可以灵活地伸展肘部和膝部。这个传感器可以读取温度,湿度,脉搏,血氧等。

  尽管皮肤电子产品可以获得大量的信息,但您仍然需要深入研究自己的身体以获取更多信息。医生抽血是有原因的。麻省理工学院化学家迈克尔·斯特拉诺(Michael Strano)说,血液中含有精确预测疾病的标记物。

  移动目标

  但是,这个电路进入深层次的人脸面临很多新的挑战。斯特拉诺说,皮肤下的理想传感器不仅应该是无毒的,而且还可以根据需要在体内稳定多年,具有生物可降解性等,这意味着它们不会引发对人体免疫系统的排斥。但是,今天的大多数设备都有其中一个缺点。

  尽管如此,一些研究人员仍然试图挑战皮下深层组织,因为灵活性和可降解性变得更加重要。如果传感器与心脏或大脑等器官之间存在摩擦,则细胞会随着活体呼吸而移动,身体迅速在具有瘢痕组织的组织周围形成防火墙。随着器官活动的传感器节奏,这种情况根本无法实现。

  法国Saint-Etienne国立矿业高等学校的生物电子工程师George Malliaras和他的同事们正在开发灵活的传感器来代替刚性传感器,并跟踪身体中典型或帕金森病患者大脑的独特电子模式这种由有机导电聚合物制成的柔性传感器可以诱导产生电子信号的化学信号中的电子流动,这不仅会提高灵敏度,而且还会使研究人员以完全不同的方式进行生物学研究。

  Malliaras说,该团队的最新成果是通过大鼠实验和临床试验,对两名癫痫手术患者进行了单独的神经放电检查,并补充说,如果这个过程逆转,传感器将可用于药物输送,称为有机离子泵,可以对施加的电压(小带电粒子)进行强制反应,Malliaras的研究小组正在与林雪平大学和法国国家健康与医学研究所合作把他的癫痫症传感器连接到一个离子泵,感觉癫痫发作和释放抗癫痫药物到正确的大脑区域Berggren和Linköping大学的研究小组已经使用类似的技术来开发一种疼痛传感器,​​可以直接向脊髓神经传递镇痛药物。

  继续推进

  任何电子设备将受到电源的限制。只要附近有可用的外部能量,附着在皮肤上或皮肤附近的传感器就可以直接接入无线能量收集天线。然而,植入体内的传感器通常依靠电池,这不仅使植入式设备笨重,而且还需要更换。而一些设备,比如Berggren的止痛泵,则需要将电线放置在皮肤上,这既麻烦又有潜在的传染性。

  为了克服这些问题,亚特兰大佐治亚理工学院的纳米科学家王忠林花费了十年时间,试图捕捉人们在走路甚至呼吸时产生的微弱的机械能量。我们开始思考,身体的动能如何能转化为电力?他说。

  他最新的设计使用静电(长期以来一直被认为是刺激性的),将呼吸的动能转换成电能以驱动相关的起搏器和传感器。该发生器利用夹在电极和连接电路之间的两个不同的聚合物表面。当使用者呼吸时,两个表面将接触然后分开,从而交换电子,就好像用一块羊毛布擦一个气球。吸气,呼气,来回或上下移动,然后产生能量。王忠林说。

  虽然这项技术是一个革命性的变化,但是通过身体内电路将健康数据传输到外部计算机或医疗中心的潜在威胁仍然存在于可穿戴设备行业:隐私泄漏。当将半导体芯片植入体内时,黑客真的是一个严重的问题。高雄染色说。

  不管技术多好,专家都说新材料行业也面临着新一轮有争议的医疗法规。许多化学品制造商担心,如果设备不能给他们带来一系列的诉讼,那么他们就不得不制动这些新材料。

  Berggren知道漫漫长路和障碍。现在面临的挑战是把所有东西放在一起。他说,汽车行业已经取得了这个成绩,取得了明显的成效。你很少看到一辆汽车正在等待半路上修好。是否值得在人类中使用这种技术仍然是一个问题,但这绝对值得一试。 (陆洁)

  中国科学通报(2015-12-07第3版国际)

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  自然报告(英文)