皮肤传感器是一类超薄、灵活、无线的监测系统，可以使医学变得更加可预测、更加个性化。

加州旧金山iRhythm公司的一次性Zio贴片可以连续两周监测心率，以发现异常情况

作为粘贴在皮肤上超薄、柔软的电子系统，皮肤传感器正在给卫生护理业带来革命性变化。数以百万计的早期版本的传感器、计算机和发射器被编织成可弯曲的薄膜、贴片、绷带或纹身，仅在神经学应用领域就进行了数十项试验，而且这种数量正在迅速地增加着。十年内，许多人将一直佩戴这种传感器。他们收集的数据将被输入到机器学习算法中，以监测生命体征、发现异常和跟踪治疗。

利用此类传感器，可以对许多医疗问题进行早期发现。当病人在家中康复疗养时，医生们可以对病人的康复情况进行远程监控，并在他们病情恶化时进行干预。疫情高峰将被迅速标记出来，从而使政府部门能够调动资源，查明易受感染人群，并监测所发药物的安全性和有效性。所有这些将使得卫生护理事业更加可预测、更加安全和更加有效。

这项技术目前的进展情形是怎样的呢？第一代生物集成传感器可以示踪分析生物物理信号，如心脏节律、呼吸、体温和运动机能。目前正在出现一些更为先进的系统，可以示踪特定的生物标记物（如血糖），或者示踪一些基本的机能如吞咽功能和语言功能。

一些小型公司正在对柔性生物传感器系统进行商业化运作，它们可以对临床数据进行持续性的测量。这其中包括加州圣琼斯市的Vital Connect公司、加州旧金山市的iRhythm公司、麻省列克星敦市的MC10公司、伊利诺伊州埃文斯顿市的Sibel Health公司。例如，iRhythm公司的一次性Zio贴片可以连续14天监测心脏的电脉冲，在检测心律异常方面比医院的间歇性检查更有效。但它体积略大，而且是临时的，数据必须在使用后下载，而不是实时传输。

目前，在伊利诺伊州芝加哥市、作者所在的实验室正在对更为先进的传感器进行临床试验。这其中包括了用于心率、呼吸和体温的更小传感器网络。它们可以无线传输数据，而且足够柔软，可以放在早产儿的胸前，而不会损伤他们脆弱的皮肤。当护士、医生或父母想要抱起一个婴儿时，他们没有必要拔掉一大堆电线。类似的系统可能会在截肢者的四肢窝和假体之间的界面上感知压力和温度。

要使可穿戴传感器适合广泛应用，必须克服许多挑战。在材料、设备和电路设计方面的创新必须使软生物传感器更小、更薄、更轻、更省电。必须提高测量的准确度、精密度和范围。监管、成本、可用性和数据安全都需要关注。

在此，我们概述了行动的优先事项。

实施清单

生物标记物 到目前为止，得到美国食品药品管理局（FDA）批准的所有柔性传感系统都只能收集生物物理信号。生物化学标记物，比如血糖或激素水平，没有用针刺皮肤采血的情况下难以收集到。

一些新出现的仪器通过向皮肤插入一层纤维来收集体液。而检测汗水中的化学物是一种有前途的替代方法。汗水中包含许多指标物，分别与下列机制有关：细胞健康和器官功能（如电解质）、免疫系统（细胞因子）和药物相互作用（代谢产物）。人们正在研发汗液传感器来分析以下指标：氯化物、血糖、乳酸、尿素、肌酐、乙醇、酸碱度乃至重金属。如果实现对汗液中蛋白质和激素水平的定量化，将进一步增加这些传感器的适用性。

另外，这些传感器还需要在收集和分析汗液的同时不受到污染和降解的影响，这还将要求人们发现新的化学检验和化验种类。

工具成像能力和光谱学能力的具备还将实现对机体的实时评估。这方面的例子有光学一致性X线断层摄影术、共聚焦显微镜、喇曼光谱学和双光子激发显微镜。如果这些系统能够得到微型化，它们将可以在不需要进行针刺取样或外科手术的情况下对皮肤肿瘤进行诊断。目前，它们仍然还很昂贵、笨重、布满了各种线圈。

治疗那些可以产生皮肤感觉的界面，比如振动，可以改善康复状况，尤其是在语言和运动治疗中。可以通过皮肤贴片对药物进行渗透性传输，这样的药物已经用在运动性疾病（莨菪碱）、疼痛（芬太尼）、避孕（诺孕曲明和炔雌醇）和高血压（氯压定）上。药物的释放可以通过电力、听觉或热学等手段进行刺激，例如，可以应用一种聚合物袋进行加热。传感器还可以传输电刺激或热刺激来治疗神经性疾病或控制疼痛。

植入物柔软的传感器系统可以在体内使用。一种薄软的植入物可以包埋在心脏或脊柱内部从而对其进行监测和刺激。示范版的薄软技术可以对脑电波进行示踪，已经在小鼠、牛和非人类灵长类动物中进行了检测。实用性挑战包括研发生物相容性材料、制造超薄片层、并对数年或数十年使用的电子学器件进行保护。一些贴膜还可以在它们完成任务如伤口愈合后，无害化地溶解掉。

材料和设计在减少传感器件为穿戴者所感知方面，有许多工作可以做。目前的贴膜常规包括包埋在一种有机硅弹性体基体内部的超薄硅电子器件。未来，有机聚合物可用来制造能够自我修复的生物传感器。不同的软材料将可以拥有它们自己的功能，比如可以抗微生物或者能够在检测某种生物化学物时改变其颜色。电能供应方面，可以从机体运动或者热能或血流的变化中进行收集，而不再用通过电池进行供应。

数据传感器的组合需要进行设计来适应特定的应用条件。例如，对于帕金森病来说，只要有一个手掌上的单一传感器就足以检测到震颤。但对于中风患者来说，描述他们走路时脚着地的力度、吞咽的力度或睡眠的质量需要额外的传感器和数据输出——从加速度计、陀螺仪、微流体传感器到心电图和肌电图(分别测量心脏和肌肉的电活动)。为了提高数据质量，这些传感器应该安装在身体上收集信息的最佳位置——例如，心电图信号应该记录在胸部，而不是手腕上。脚踝上的传感器可以更好地评估步态。将需要过滤掉噪音，还将需要做出决策：是否将所有数据流到云或在芯片上对它们中的一些进行处理更好，并且是否只传递从基本数据中提取出的关键参数或见解，以发出警告或注意的形式。

研判需要开发数字仪表盘，使医生和病人能够跟踪输出信息、记录变化并做出临床决策。机器学习模型需要改进，例如预测病人出院后、能够在没有帮助的情况下安全地行走或进食需要多长时间。社区的长期监测将有助于医生评估中风康复、帕金森病和其他疾病的演变情况。

行为需要更多地了解病人如何在日常生活中使用生物传感器。如果人们要连续几周或几个月佩戴这些设备，那么这些贴膜就必须看起来是可以接受的，并且具有理想的吸引力。他们应该是舒适的，并在洗澡或锻炼时与皮肤保持良好的接触。虽然一些传感器现在小到可以用手指甲装上，薄到不能透过衣服看到，但它们还需要变得更小更薄。

临床应用

要尽快将这些技术应用到病人身上，需要在三个方向上采取行动：验证、监管和数据保护。

为了加快进入临床，软性生物传感器必须针对未得到满足的医疗需求，比如家庭心理健康监测。生命体征、神经内分泌、嗜神经细胞和炎症生物标志物的变化，可能会产生目前临床医生无法获得的战略眼光。如果有社交孤立和孤独的迹象，可以安排护理员前来探望或亲人打来电话。

在缺乏基础设施的国家，无线健康监测还可能使卫生保健发生革命性变化。2019年晚些时候，我们将与非营利性组织比尔及梅林达·盖茨基金会和拯救儿童基金会合作，在包括赞比亚、肯尼亚和南非在内的几个非洲国家的妇产科医院试用我们的生物传感器。这些贴片将追踪孕妇及其婴儿在怀孕期间的生理数据，如身体活动、血压和呼吸频率，并对胎儿缺氧或即将出血等并发症发出警告。

监管部门的批准至关重要，而且很难获得。现有的管理框架已经将大部分硬件进行了覆盖，算法则不。但有令人鼓舞的迹象表明，软件应用程序可以进入监管程序。在过去几年中，FDA批准了机器学习技术用于糖尿病视网膜病变的诊断，这是第一种带有嵌入式传感器（AbilifyMyCite）的药片，以及一款治疗阿片类药物使用障碍（reSET-O）的应用程序。FDA的预认证计划允许在正式评估之前部署来自某些可信开发人员的医疗软件。

鉴于设备、数据、软件和疗法之间的界限不断模糊，监管必须迅速适应新的变化、与时俱进。应特别注意的领域是那些需要最高和风险要求最低的临床领域：包括罕见疾病、儿科、妇女健康和老年学领域。

数据安全必须是顶级优先，尤其是病人信息。1996年，美国《健康保险可携性与问责法》为病人信息的机密处理制定了指导方针。但这远远早于移动设备和可穿戴传感器的爆炸式发展，新的形势需要新的法律框架。病人必须拥有他们自己的数据。而且必须非常小心，确保公司不会未经批准就利用医疗数据获取商业利益，或者在能和不能使用这项技术的人之间造成分裂。

在新生儿重症监护病房，足够柔软的传感器可用于早产儿皮肤，以监测生命体征

鉴于私营企业在保护消费者隐私方面的不良记录，需要在国家和国际层面充分发挥政治领导的作用。必须制定政策来防止雇主和保险公司对拥有特定数据档案的人进行歧视，就像《2008年美国基因信息不歧视法案》保护工人一样。如有违背，应给予严重的财政和法律惩罚。

这些传感器系统的费用将如何支付，医生对数据的解释和处理将如何获得补偿，这些都还有待观察。不过，卫生保健资助者应该优先支持那些一流的生物集成传感器系统，因为它们有可能提高医疗质量、降低医疗成本。这与美国转向以价值为基础的医疗服务的趋势相吻合。在美国，医疗保险公司和联邦医疗保险等政府计划正在根据疗效而不是简单的报销服务来选择治疗方案。

展 望

技术进步将需要材料和设备工程师、数据科学家和医疗专家之间的密切合作。用户和护理人员需要更紧密地参与进来。

在设备商业化之前，来自政府、企业投资和慈善基金会的跨学科资助将是收集概念验证数据必不可少的。例如，纽约市的迈克尔·福克斯基金会就为全球健康领域的可穿戴技术提供了资助项目。

相关公司需要改进设备的制造工艺，使其将硬骨骼组件和软组织样材料组合在一起。产量和通量需要提高，以确保质量和降低成本。需要自动化工具来设计电路和机械部件的布局和拓扑结构。

这项努力是值得的：生物集成传感器有潜力改变医学的几乎所有方面。

资料来源Nature