可穿戴設(shè)備以其對(duì)人體生理信息動(dòng)態(tài)、持續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生了廣泛影響，在大健康行業(yè)得到關(guān)注。目前已經(jīng)商業(yè)化的可穿戴設(shè)備主要是實(shí)現(xiàn)心電圖和光電容積圖測(cè)量心率，分別屬于電化學(xué)和光學(xué)生物傳感器兩種。
除了這兩類傳感器，可穿戴設(shè)備中還有更具價(jià)值的一類——生物傳感器。生物傳感器通過無(wú)創(chuàng)測(cè)量體液中的生化標(biāo)志物來反映人體生理狀態(tài)。這類生物標(biāo)記物主要包括汗液、淚液、唾液和間質(zhì)液，以及體液中的代謝物、細(xì)菌及激素等。
可穿戴生物傳感器在醫(yī)療應(yīng)用中前景廣泛，但在大規(guī)模商業(yè)化之前還有很多問題需要解決。美國(guó)Nature雜志對(duì)該行業(yè)的最新進(jìn)展作了詳細(xì)介紹，本文摘取并編譯報(bào)告的部分內(nèi)容，幫助大家了解可穿戴生物傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。
2025年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)28.6億美元
據(jù)來自GrandViewResearch的市場(chǎng)報(bào)告，2016年，全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模約為1.5億美元，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到28.6億美元。新增市場(chǎng)規(guī)模中的很大一部分將由可穿戴生物傳感器貢獻(xiàn)。
盡管可穿戴無(wú)創(chuàng)生物傳感平臺(tái)的商業(yè)化速度慢于預(yù)期，但隨著該項(xiàng)技術(shù)的突破，很多人仍看好這一設(shè)備的市場(chǎng)前景。
目前，可穿戴設(shè)備主要采用物理傳感器，監(jiān)測(cè)使用者的行動(dòng)能力和生命體征，如步數(shù)、熱量消耗及心率。隨著其功能從跟蹤體育鍛煉擴(kuò)展到關(guān)注醫(yī)療保健（如糖尿病管理或?qū)夏耆说倪h(yuǎn)程監(jiān)控等），可穿戴設(shè)備也需進(jìn)行革新。
典型的生物傳感器包含兩個(gè)基本功能單元：負(fù)責(zé)選擇性識(shí)別生物標(biāo)志物（酶、抗體或DNA）的生物受體、負(fù)責(zé)將生物識(shí)別過程轉(zhuǎn)換為有用信號(hào)的物理或化學(xué)傳感器。近年來，隨著無(wú)創(chuàng)取樣及監(jiān)測(cè)技術(shù)的日漸成熟，利用無(wú)創(chuàng)可穿戴生物傳感設(shè)備替代常規(guī)的血液檢測(cè)日益接近現(xiàn)實(shí)。這種設(shè)備具有使用便捷、有高度特異性、低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)。
目前，可穿戴生物傳感器主要分三類：表皮可穿戴生物傳感器、眼部可穿戴生物傳感器和口腔可穿戴生物傳感器。
表皮可穿戴生物傳感器
人體的絕大部分都為皮膚所覆蓋，在各類可穿戴生物傳感器中，通過皮膚來接觸人體的表皮可穿戴生物傳感器受關(guān)注度最高。
表皮可穿戴生物傳感器可在皮膚表面對(duì)汗液或間質(zhì)液采樣，并對(duì)其中的生物標(biāo)志物進(jìn)行實(shí)時(shí)分析或連續(xù)監(jiān)控。此類傳感器通常依賴于生物受體，以生物催化和離子識(shí)別標(biāo)志物，并以光學(xué)、電化學(xué)或機(jī)械等不同的傳導(dǎo)模式相結(jié)合。目前，電化學(xué)和色差是兩種主要的傳導(dǎo)模式。
目前，表皮可穿戴生物傳感器已研發(fā)成功，常見的傳感器集成方式有電子皮膚、臨時(shí)打印的紋身、腕帶、貼片或直接嵌入紡織品等。這些集成方式可以確保傳感器與皮膚緊密接觸，并在身體運(yùn)動(dòng)時(shí)承受機(jī)械壓力。
眼部可穿戴生物傳感器
淚液也是一種可用來監(jiān)測(cè)人體生理狀態(tài)的生物液體。淚液中的生物標(biāo)志物分子直接從血液中擴(kuò)散出來，加上淚-血閉環(huán)，體現(xiàn)了與血壓中標(biāo)志物濃度的關(guān)聯(lián)。淚液是眼睛防污機(jī)制的一部分，成分不如血液復(fù)雜，這些特性使得淚液對(duì)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)及診斷來說更具吸引力。
口腔可穿戴生物傳感器
唾液中的許多生物標(biāo)志物通過參與體內(nèi)血液循環(huán)，以細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)或細(xì)胞間傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)入唾液，使唾液能夠反映人體生理狀態(tài)，是一種理想的可替代血液進(jìn)行分析的體液。
此外，唾液中有較高的蛋白質(zhì)含量，適合檢測(cè)其中與疾病和應(yīng)激相關(guān)的生物標(biāo)志物，在生物醫(yī)學(xué)和健康監(jiān)測(cè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)及商業(yè)化進(jìn)程仍存挑戰(zhàn)
目前，可穿戴生物傳感器仍處于概念階段，距實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，此類設(shè)備在檢測(cè)范圍、有效性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、供電、通信、安全與隱私方面還存在許多挑戰(zhàn)。
01更廣泛的生物標(biāo)志物測(cè)量
目前，大多數(shù)可穿戴生物傳感器只可測(cè)量少量生物標(biāo)志物。未來，業(yè)界應(yīng)努力推出新的生物傳感器格式，以及更好的無(wú)創(chuàng)生物體液取樣方式，用以監(jiān)測(cè)更廣泛的生物標(biāo)志物種類。
了解每一種生物體液的組成，及其與某些疾病的關(guān)系，對(duì)于提升醫(yī)療保健領(lǐng)域中對(duì)可穿戴技術(shù)的認(rèn)可，以及擴(kuò)大此類設(shè)備的臨床應(yīng)用至關(guān)重要。
無(wú)創(chuàng)體液取樣中標(biāo)志物水平與同時(shí)期標(biāo)志物在血液中濃度的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)是取樣獲得認(rèn)可的關(guān)鍵指標(biāo)。在真實(shí)世界中對(duì)生物傳感器讀取進(jìn)行嚴(yán)格和可再現(xiàn)的解釋正在進(jìn)行中，特別是在可能需要臨床響應(yīng)或操作響應(yīng)的應(yīng)用中。
未來，為識(shí)別新的生物標(biāo)志物，我們需要對(duì)每一種不同生物體液的組成進(jìn)行系統(tǒng)、深入的分析。
同樣，除了現(xiàn)有的體液類型，應(yīng)嘗試從新的體液類型上尋找機(jī)會(huì)。這種對(duì)更大范圍生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)分析也將使生物醫(yī)學(xué)的其他領(lǐng)域受益，如由生物標(biāo)志物引導(dǎo)的新實(shí)驗(yàn)療法的臨床開發(fā)。
02準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性
確?？纱┐魃飩鞲衅黜憫?yīng)的準(zhǔn)確和可靠，對(duì)其市場(chǎng)接受度的提升至關(guān)重要。可穿戴生物傳感器的準(zhǔn)確性常受表面污染效應(yīng)的影響，而表面污染效應(yīng)是影響傳感器連續(xù)工作的主要因素。
為確保傳感器長(zhǎng)時(shí)間佩戴的可靠性，堅(jiān)固的抗污染表面保護(hù)是必要的。
基于唾液的口腔生物傳感器會(huì)受到大量的生物污染。因此，口腔生物傳感器需特別關(guān)注表面保護(hù)涂層，應(yīng)慎重選擇傳感器涂層材料，以減少生物污染的影響，并排除電活性干擾。同時(shí)，可在傳感器表面添加酶，避免傳感器上潛在有毒成分的泄漏。
與傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)室的生物傳感器不同，可穿戴生物傳感器在不受控制的環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間戶外活動(dòng)時(shí)，可能會(huì)影響生物傳感的穩(wěn)定性。為確保佩戴過程中測(cè)量的準(zhǔn)確性，還需注意來自周圍環(huán)境的潛在污染、與陳舊體液的混合、涉及相關(guān)傳感器校準(zhǔn)的連續(xù)信號(hào)漂移等影響因素。
03系統(tǒng)集成和硬件
對(duì)硬件、供電和通信問題的關(guān)注對(duì)此類傳感器的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。
硬件組件必須與生物傳感器平臺(tái)高度集成，并根據(jù)特定應(yīng)用需求進(jìn)行修改。包含全功能微控制器的印刷式無(wú)線電路板因具有靈活性和較好的成本效益而被廣泛應(yīng)用，這種印刷電路板可與電池集成。
可穿戴設(shè)備的另一功能上的關(guān)鍵要求是在連續(xù)監(jiān)控期間保持低功耗，以便為佩戴者或其他終端用戶提供有用且及時(shí)的信息。這可能需要在能量消耗和數(shù)據(jù)速率間進(jìn)行權(quán)衡，特別是在需要高采樣頻率時(shí)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理及安全、有效的通信非常重要。
為可穿戴生物傳感平臺(tái)供電的最常見方式是鋰離子電池或堿性電池供電。然而，它們體積龐大，可能會(huì)引起毒性問題，特別是基于鋰離子的系統(tǒng)。目前，電池已能夠使用柔性材料，以提供更好的可穿戴性能。
隨著多路復(fù)用傳感平臺(tái)對(duì)供電需求的提升，可穿戴傳感器供電技術(shù)的進(jìn)步成為重要需求。這一需求可通過供電和更節(jié)能設(shè)備的開發(fā)，以及減少能源需求的自適應(yīng)算法來彌補(bǔ)。
可穿戴生物傳感器在商業(yè)市場(chǎng)中面臨與其基本操作功能相關(guān)的一些障礙。
首先，可穿戴設(shè)備必須克服在不受控制的條件下長(zhǎng)時(shí)間工作帶來的穩(wěn)定性問題，以及生物污染、生物識(shí)別組分本身固有的不穩(wěn)定性等問題。
其次，設(shè)備必須能夠在無(wú)需經(jīng)常校準(zhǔn)的前提下可靠地運(yùn)行。因此，傳感器的研發(fā)必須保證較高的生物受體穩(wěn)定性，以保持響應(yīng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
第三，還需要適當(dāng)?shù)牧黧w取樣系統(tǒng)，如微流控技術(shù)的應(yīng)用，以在傳感器上實(shí)現(xiàn)生物液體的有效傳輸，確?？稍佻F(xiàn)、準(zhǔn)確的信號(hào)，以及可忽略的樣本污染。這種先進(jìn)的可穿戴流體系統(tǒng)還可促進(jìn)多步驟生物親和測(cè)定，特別是對(duì)免疫測(cè)定而言。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間使用的可穿戴設(shè)備來說，免疫傳感器的再生是另一個(gè)需克服的挑戰(zhàn)。
完全集成化的可穿戴生物傳感平臺(tái)需結(jié)合有供電功能的無(wú)線電子設(shè)備，以便數(shù)據(jù)處理和信號(hào)的安全傳輸。此外，移動(dòng)終端和基于智能手機(jī)的顯微鏡的使用等，有望促進(jìn)光學(xué)可穿戴生物傳感器響應(yīng)的讀出。
考慮到上述挑戰(zhàn)的存在，我們對(duì)可穿戴生物傳感器技術(shù)及其將如何改善我們健康水平的了解才剛開始。
未來的可穿戴生物傳感器將有多種形態(tài)，從腕帶到紡織品或時(shí)尚配件，并逐漸融入佩戴者的日常生活。鑒于可穿戴生物傳感器領(lǐng)域中的競(jìng)爭(zhēng)性研究和巨大的商業(yè)機(jī)會(huì)，我們有理由期待該行業(yè)在不久的將來出現(xiàn)新的發(fā)展。可穿戴傳感器市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)快速增長(zhǎng)，此類設(shè)備也將在未來提高人們的健康生活質(zhì)量。
