美国加州大学柏克莱分校(University of California, Berkeley)的电子工程暨信息科学教授Ali Javey,总是喜欢把他的团队正在进行之可穿戴式电子研究项目称为“人体大数据(big data of the human body)”

新开发可穿戴式汗液生物传感器

今日的可穿戴式传感器已经能追踪使用者的身体活动与生命征象,但Javey在近日于美国举行的2016年度国际电子组件会议(IEDM)上发表他的研究团队成果“可穿戴式汗液生物传感器(wearable sweat biosensor)”时指出:“没有人能以分子(molecular)水平监测个人健康状况。”

市面上已经有许多不同的可穿戴式设备,如Fibit、Misfit、Apple Watch以及各种血糖仪等等,这些智能医疗设备似乎与现实世界仅距离一步之遥,显然各种无所不在的无线技术以及运算技术,已经能增强针对每一位病患的监测。

数据采集仍然是最大的挑战;为此各家厂商争相开发超低功耗、柔性、印刷式电子组件,以催生能持续监测使用者健康状况并能以非侵入式方法实时采集人体数据的设备。

在今年IEDM发表的多篇论文,就是关于柔性与印刷式电子组件技术;所提出的方案从高性能的柔性CMOS电路与传感器、省电多模式生物感测技术,到RFID与医疗贴片应用之柔性金属氧化物薄膜晶体管电路。

而Javey的团队所发表的“可穿戴式汗液生物传感器”论文特别出色,因为该团队探讨“了以广泛的汗液生物标记频谱监测人体”。 20161214 IEDM NT03P1 不同于传统的可穿戴设备,Javey团队将人类的汗液设定为一种收集与探测更精确、更具洞察力之生理信息的手段;他表示:“我们选择汗液的原因,是因为那是最容易取得的体液。”

值得注意的是,汗液分析并不是新概念,已经有各种汗液生物标记被开发,用以定义人体健康状况;Javey解释,例如在运动领域,人们通常会以汗液分析来进行药物检测,还有汗液氯化物检测已经是囊肿性纤维化(cystic fibrosis)的标准诊断程序。

Javey表示,可穿戴式生物传感器已经被应用于在各种室内或户外的人体活动中,分析新陈代谢、电解质与重金属等广泛的汗液成分:“汗液中的钠离子与钾若过量损失,将导致低钠血症(hyponatremia)、低钾血症(hypokalemia)、肌肉痉挛或是脱水。”

其他发现还包括,汗液中的乙醇与葡萄糖据说在新陈代谢上与血液中的乙醇与葡萄糖相关,而汗液乳酸(lactate)可以被潜在视为压力性缺血(pressure ischemia)的敏感性标记;不过今日的汗液分析仍是得将检体收集起来送到实验室去才能进行。

而Javey的看法是,最好的解决方案是“人体汗液的实时分析”──也就是利用像是贴片、放在人体上的汗液生物传感器,直接在排汗时立即对汗液进行分析。

完全整合的多任务汗液感测系统

Javey的团队开发了一种完全整合的多任务汗液感测系统,将塑料材料的传感器做为与皮肤之间的接口,而柔性电路板上的硅芯片则执行复杂的信号处理;如下图所示,该团队开发的汗液传感器数组包含两种代谢物传感器(检测葡萄糖与乳酸)、两种电解质传感器(检测钠离子与钾),以及一个皮肤温度传感器。 20161214 IEDM NT03P2 Javey并分享了该系统能进行多任务人体量测的信号传导、处理与无线传输路径(如下图);最终收集到的数据会以无线方式传输到手机,透过专属应用程序显示:“我们开发了传感器,但没有开发必备的信号处理芯片,是在柔性电路板上采用现成的微控制器以及其他组件。” 20161214 IEDM NT03P3 柔性电路板上需要做哪种信号处理?Javey解释,虽然每个传感器都能维持优异的敏感性,但事实证明温度以及酸碱(pH)值仍会对这种安培酶(amperometric enzymatic)传感器的性能造成很大影响:“为了达成更精确的量测,我们需要进行实时校正(calibration)以及信号补偿,”这就是信号处理所需之处。

目前Javey团队开发的系统是以柔性电路板制作,他设想未来完全整合的多任务汗液传感器将是能实现更实用、同步化之多重汗液生物标记检测信息的终极关键;Javey并指出,他们采用的现成蓝牙低功耗芯片与微控制器,都稍嫌大材小用,未来应会演变成定制化单芯片。

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