發(fā)布日期：2017-05-08
目前市場上的智能手環(huán)，大多是收集用戶的運動數(shù)據(jù)以及心跳、血壓等數(shù)據(jù)，再以 APP 的形式進行直觀展示，一定程度上滿足了消費者對「好玩」和「炫酷」的追求。與市售產(chǎn)品不同的是，《Nature》雜志曾刊登過一篇文章，提到美國斯坦福大學和加州大學的科學家開發(fā)了一款可以診斷疾病的可穿戴智能設備，希望只通過對汗液的分析，實現(xiàn)對人體更加全面的生理監(jiān)測和疾病診斷 [1]。
最近，這幾位科學家又在美國《國家科學院學報》上發(fā)表了最新的研究成果。斯坦福大學生物化學和遺傳學教授 Ronald Davis 和他的小伙伴們表示，嵌入了靈敏傳感器和微處理器的最新款腕帶設備，能夠準確診斷糖尿病、囊性纖維病等疾病。更有意思的是，新款設備是主動刺激汗腺產(chǎn)生檢測所需的微量汗液，且不會產(chǎn)生任何不適感 [2]。 我們身體排出的汗液就像是一本包含了大量信息的圖書，其中各種化學物質(zhì)，如電解質(zhì)、重金屬和蛋白質(zhì)的含量變化，可以揭示出人體內(nèi)部正在發(fā)生的生理變化 [3]。比如汗液中的乙醇、葡萄糖與血液中的乙醇、葡萄糖含量密切相關，而汗液氯化物檢測已經(jīng)是囊性纖維病的標準診斷程序。
汗液分析從來不是什么新概念，只不過目前需要先單獨收集汗液，再送到實驗室去利用各種儀器進行分析。所以，如果有一款智能手表，能夠?qū)θ梭w汗液進行實時的數(shù)據(jù)采集和分析，那么就能實現(xiàn)分子水平上對用戶健康狀況的監(jiān)測。這與諸如 Fibit、Misfit、Apple Watch 以及各種血糖儀等「智能醫(yī)療」設備將有著本質(zhì)的區(qū)別和絕對的優(yōu)勢！
思路就是這么個思路，但真正實現(xiàn)起來就是一項復雜的工程。為了實現(xiàn)以非侵入式方法實時擷取人體汗液數(shù)據(jù)，研究團隊開發(fā)了一個可穿戴的汗液采集和傳感系統(tǒng)，特殊塑料材料做成的傳感器做為與皮膚接觸的接口，而軟性電路板上的硅芯片則執(zhí)行復雜的信號處理。
電極陣列和無線柔性印刷電路板（FPCB）
這里面有一個看似不起眼，卻很重要的問題。想要對汗液進行分析，總得有「汗」吧。尤其是對于一些不愛運動的人來說，想要他們隨時提供足夠的汗液就有點難了。為此，研究團隊設計了電化學增強型離子電滲接口，輕松克服了這一挑戰(zhàn)。借助于微弱的電流將刺激性化合物（如毛果蕓香堿）遞送到汗腺，就能得到足量的汗水（其實也就 10μL 而已）[4]。并且實現(xiàn)了無線編程控制，以不同的排泄速率和時間間隔進行誘導出汗。刺激汗腺產(chǎn)生一次監(jiān)測所需的足夠汗水之后，感應電極將會立即在「現(xiàn)場」對采集的汗液成分進行分析，因此也就能記錄下汗液中各種關鍵物質(zhì)（例如葡萄糖，Na + 和 Cl -）的濃度實時變化情況。集成電路芯片在經(jīng)過對信號的初步處理后，通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C，并上傳至云服務器進行最后的分析、診斷。
這種一體化、自動化和可編程的平臺，完全實現(xiàn)了對個人進行連續(xù)、無創(chuàng)和原位的監(jiān)測，不僅避免了汗液樣品的降解、蒸發(fā)和污染，而且具備多任務操作和可編程參數(shù)調(diào)整的功能。
這還沒有完。想要通過人體汗液進行健康解密，還要解決諸如「哪些物質(zhì)才是關鍵標志物，其濃度變化意味著什么，以及怎樣消除人與人之間的指標差異」等問題。怪不得美國加州大學伯克利分校電子工程暨信息科學教授 Ali Javey，將這個看起來是「硬件」的研究項目稱為「人體大數(shù)據(jù)項目」[5]。
當然，我們都好理解，如果一個人汗液中氯離子含量高，那么有可能患有囊性纖維病；而如果血糖含量特別高，可能就意味著有糖尿病。但想要通過這些數(shù)據(jù)達到準確診斷疾病的目的，就必須進一步驗證汗液讀數(shù)與疾病之間的相關性。為了證明這套設備的臨床價值，研究團隊進行了人類受試者的測試。
在 6 名健康志愿者和 3 名囊性纖維病患者中進行的測試中，健康受試者的平均氯和鈉濃度（基于 25 分鐘的傳感器讀數(shù)）分別為 21.2 和 26.7mM，而囊性纖維病患者的平均氯和鈉含量（基于 25 分鐘的傳感器讀數(shù)）分別為 95.7 和 82.3mM。
囊性纖維病患者和健康患者的診斷結果對比
為了評估設備非侵入性葡萄糖監(jiān)測的實用性，研究人員又對空腹和攝入葡萄糖的受試者進行了實時汗液葡萄糖含量測量，并與使用市售血糖計測量的血糖結果進行對比。結果表明，禁食 12 小時和口服葡萄糖 1 小時后，7 名受試人員的血糖和「汗糖」含量有 6 人均存在顯著相關。
此外，這款設備也能用來檢測汗液的其他分子成分，比如鉀離子和乳酸，用于其他病癥的檢測和診斷。研究人員表示，未來的工作將會增加溫度、pH 值和汗量傳感器的整合，并考慮到個體之間的差異，以校準汗液中各種標志物的測量值。
當然，一兩種疾病的診斷并不能代表這款設備的真正價值。研究人員正在開展大規(guī)模臨床研究，以進一步弄清汗液成分讀數(shù)與健康的相互關系。大規(guī)模的臨床研究和大數(shù)據(jù)分析，將有助于建立汗液中各種成分測量值與個體生理狀態(tài)之間的關系，從而為適用于一般人員的基于汗液的無創(chuàng)診斷方法鋪平道路。
目前的這款設備，可以通過 APP 交互界面、電子郵件、短消息服務對結果進行展示，通過云服務對數(shù)據(jù)進行進一步分析和挖掘。研究團隊則希望未來能把這個設備整合進智能手表中，以方便用戶使用，從而實現(xiàn)廣泛的人口監(jiān)測 [6]。
「不僅能用于疾病診斷，還可以用于藥物研發(fā)?！辜又荽髮W洛杉磯分校 Emaminejad 教授說 [7]，「想像一下，如果在臨床藥物調(diào)查中使用可穿戴的汗液傳感器，我們就可以更方便地了解用藥后的生理變化?！筟1] http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7587/full/nature16521.html[2] http://www.pnas.org/content/114/18/4625.full
[3] Bandodkar AJ, Jeerapan I, Wang J (2016) Wearable chemical sensors: Present challenges and future prospects. ACS Sens. 1:464–482
[4] Farrell PM, et al. (2017) Diagnosis of cystic fibrosis: Consensus guidelines from the Cystic Fibrosis Foundation. J Pediatr 181S:S4–S15, 15.e1
[5] http://wearable.ofweek.com/2016-12/ART-8140-5004-30080193.html
[6] http://med.stanford.edu/news/all-news/2017/04/wearable-sweat-sensor-can-diagnose-cystic-fibrosis.html
[7] http://www.mobihealthnews.com/content/stanford-and-uc-berkeley-researchers-develop-wearable-sweat-sensor-diagnostic-tool
來源：奇點網(wǎng)
