可穿戴及可攝入電子產(chǎn)品的發(fā)展正在迅速提升生物電子設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)能力。

使用生物電子設(shè)備來(lái)追蹤人體自身的健康以獲知身體舒適度的觀念已深入人心。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，最新的蘋果智能手表，僅在2022年就創(chuàng)下5000萬(wàn)的銷售額，該手表可以測(cè)量體溫和心率，檢查人體血氧水平，并展示心電圖。這可能只是生物電子設(shè)備在持續(xù)健康監(jiān)測(cè)和個(gè)性化醫(yī)療方面的一個(gè)開(kāi)端。

首先，生物電子設(shè)備的形式多樣，從可穿戴到可植入再到可攝入。研究人體可攝入設(shè)備（從人體內(nèi)獲取讀數(shù)）的歷史可以追溯到1957年，當(dāng)時(shí)報(bào)道了一款能夠讀取人體內(nèi)部壓力和溫度的可攝入膠囊。但正是在過(guò)去25年左右的時(shí)間里，隨著PillCam膠囊內(nèi)窺鏡的推出，該領(lǐng)域的研究活動(dòng)取得了更突出的進(jìn)展。

可攝入電子設(shè)備可用于追蹤和治療人體胃腸道中的不同疾病。近年來(lái)，研究人員在傳感器、電路和系統(tǒng)層面取得了進(jìn)展，并創(chuàng)造了可以測(cè)量胃腸道氣體和生物分子的設(shè)備。在Nature Electronics期刊的一篇題為“End-to-end design of ingestible electronics”的評(píng)論文章中，Yasser Khan及其同事研究了可攝入電子設(shè)備的發(fā)展。

通過(guò)他們的分析，南加州大學(xué)（University of Southern California）和佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員為系統(tǒng)級(jí)可攝入電子膠囊的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)循序漸進(jìn)的指導(dǎo)。他們探索了此類設(shè)備的關(guān)鍵組件和功能，包括傳感器、執(zhí)行器、集成電路、通信、電源、封裝、定位和移動(dòng)等。他們還評(píng)估了目前限制該技術(shù)更廣泛應(yīng)用的問(wèn)題。

可攝入電子設(shè)備通常由堅(jiān)固的剛性材料制成。商業(yè)可穿戴技術(shù)也是如此。但柔性和可拉伸材料在可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)中的潛力是科研界關(guān)注的焦點(diǎn)，這可能會(huì)顯著擴(kuò)展此類設(shè)備的功能。該方法可以讓設(shè)備與皮膚形成緊密接觸，并可以通過(guò)汗液傳感提供對(duì)人體的分子洞察。此類系統(tǒng)日益復(fù)雜的情況在Nature Electronics期刊的其它文章中得到了說(shuō)明，Wei Gao及其同事在該期刊上報(bào)道了一款可監(jiān)測(cè)和分類心理壓力反應(yīng)的電子皮膚。

可用于監(jiān)測(cè)心理壓力反應(yīng)的電子皮膚

來(lái)自加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）、香港科技大學(xué)（Hong Kong University of Science and Technology）和加州大學(xué)洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）的研究人員使用了一種可擴(kuò)展的噴墨打印方法，制作出了一種可以戴在手腕上的電子皮膚。該電子皮膚包含一個(gè)微流控模塊和一系列傳感器，可連續(xù)監(jiān)測(cè)人體汗液中的分子生物標(biāo)志物（如葡萄糖和鈉離子）以及各種生命體征（如皮膚溫度和脈搏波形）。它還集成了一個(gè)微型離子電滲模塊，可用于刺激出汗（無(wú)需劇烈運(yùn)動(dòng)，就可提供必要的汗液樣本）。

Wei Gao及其同事的研究表明，該電子皮膚可以在24小時(shí)內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)個(gè)人的日常活動(dòng)，從吃飯、睡覺(jué)到工作和鍛煉。此外，來(lái)自該設(shè)備的數(shù)據(jù)可以高精度地針對(duì)不同壓力源的反應(yīng)進(jìn)行分類。他們使用了三種不同的生理和心理壓力源（冷壓力測(cè)試、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）挑戰(zhàn)和劇烈運(yùn)動(dòng)），在機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的幫助下，區(qū)分出了它們，準(zhǔn)確率為98.0%。他們還可以量化心理壓力反應(yīng)，置信度為98.7%。

正如H.Ceren Ates、Cihan Ates和Can Dincer在Nature Electronics期刊新聞及評(píng)論文章“Stress monitoring with wearable technology and AI”中所闡述的那樣，這項(xiàng)工作為“基于可穿戴的壓力管理技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)”。他們還指出，這種方法是基于這樣的觀點(diǎn)——交感神經(jīng)元活動(dòng)和應(yīng)激激素的釋放會(huì)在測(cè)量變量（如心率和汗液代謝產(chǎn)物）上留下獨(dú)特的印記。然而，目前還沒(méi)有將這些測(cè)量結(jié)果與應(yīng)激激素聯(lián)系起來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，“臨床研究對(duì)于精確量化生理參數(shù)和壓力之間的復(fù)雜關(guān)系至關(guān)重要”。

值得注意的是，來(lái)自德國(guó)弗萊堡大學(xué)（University of Freiburg）和卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology）的H.Ceren Ates及其同事將繼續(xù)研究如何利用這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)建未來(lái)的個(gè)性化壓力管理系統(tǒng)。不過(guò)，他們提醒說(shuō)，了解壓力需要的不僅僅是傳感器數(shù)據(jù)，還需要深入了解個(gè)人的主觀體驗(yàn)，因此個(gè)人的主觀報(bào)告數(shù)據(jù)需要集成到系統(tǒng)中。

審核編輯：彭菁