美國加州大學(xué)柏克萊分校(University of California, Berkeley)的電子工程暨信息科學(xué)教授A(yíng)li Javey，總是喜歡把他的團隊正在進(jìn)行之可穿戴式電子研究項目稱(chēng)為“人體大數據(big data of the human body)”
新開(kāi)發(fā)可穿戴式汗液生物傳感器
今日的可穿戴式傳感器已經(jīng)能追蹤使用者的身體活動(dòng)與生命征象，但Javey在近日于美國舉行的2016年度國際電子組件會(huì )議(IEDM)上發(fā)表他的研究團隊成果“可穿戴式汗液生物傳感器(wearable sweat biosensor)”時(shí)指出：“沒(méi)有人能以分子(molecular)水平監測個(gè)人健康狀況。”
市面上已經(jīng)有許多不同的可穿戴式設備，如Fibit、Misfit、Apple Watch以及各種血糖儀等等，這些智能醫療設備似乎與現實(shí)世界僅距離一步之遙，顯然各種無(wú)所不在的無(wú)線(xiàn)技術(shù)以及運算技術(shù)，已經(jīng)能增強針對每一位病患的監測。
數據采集仍然是最大的挑戰；為此各家廠(chǎng)商爭相開(kāi)發(fā)超低功耗、柔性、印刷式電子組件，以催生能持續監測使用者健康狀況并能以非侵入式方法實(shí)時(shí)采集人體數據的設備。
在今年IEDM發(fā)表的多篇論文，就是關(guān)于柔性與印刷式電子組件技術(shù)；所提出的方案從高性能的柔性CMOS電路與傳感器、省電多模式生物感測技術(shù)，到RFID與醫療貼片應用之柔性金屬氧化物薄膜晶體管電路。
而Javey的團隊所發(fā)表的“可穿戴式汗液生物傳感器”論文特別出色，因為該團隊探討“了以廣泛的汗液生物標記頻譜監測人體”。
不同于傳統的可穿戴設備，Javey團隊將人類(lèi)的汗液設定為一種收集與探測更精確、更具洞察力之生理信息的手段；他表示：“我們選擇汗液的原因，是因為那是最容易取得的體液。”
值得注意的是，汗液分析并不是新概念，已經(jīng)有各種汗液生物標記被開(kāi)發(fā)，用以定義人體健康狀況；Javey解釋?zhuān)缭谶\動(dòng)領(lǐng)域，人們通常會(huì )以汗液分析來(lái)進(jìn)行藥物檢測，還有汗液氯化物檢測已經(jīng)是囊腫性纖維化(cystic fibrosis)的標準診斷程序。
Javey表示，可穿戴式生物傳感器已經(jīng)被應用于在各種室內或戶(hù)外的人體活動(dòng)中，分析新陳代謝、電解質(zhì)與重金屬等廣泛的汗液成分：“汗液中的鈉離子與鉀若過(guò)量損失，將導致低鈉血癥(hyponatremia)、低鉀血癥(hypokalemia)、肌肉痙攣或是脫水。”
其他發(fā)現還包括，汗液中的乙醇與葡萄糖據說(shuō)在新陳代謝上與血液中的乙醇與葡萄糖相關(guān)，而汗液乳酸(lactate)可以被潛在視為壓力性缺血(pressure ischemia)的敏感性標記；不過(guò)今日的汗液分析仍是得將檢體收集起來(lái)送到實(shí)驗室去才能進(jìn)行。
而Javey的看法是，最好的解決方案是“人體汗液的實(shí)時(shí)分析”──也就是利用像是貼片、放在人體上的汗液生物傳感器，直接在排汗時(shí)立即對汗液進(jìn)行分析。
完全整合的多任務(wù)汗液感測系統
Javey的團隊開(kāi)發(fā)了一種完全整合的多任務(wù)汗液感測系統，將塑料材料的傳感器做為與皮膚之間的接口，而柔性電路板上的硅芯片則執行復雜的信號處理；如下圖所示，該團隊開(kāi)發(fā)的汗液傳感器數組包含兩種代謝物傳感器(檢測葡萄糖與乳酸)、兩種電解質(zhì)傳感器(檢測鈉離子與鉀)，以及一個(gè)皮膚溫度傳感器。
Javey并分享了該系統能進(jìn)行多任務(wù)人體量測的信號傳導、處理與無(wú)線(xiàn)傳輸路徑(如下圖)；最終收集到的數據會(huì )以無(wú)線(xiàn)方式傳輸到手機，透過(guò)專(zhuān)屬應用程序顯示：“我們開(kāi)發(fā)了傳感器，但沒(méi)有開(kāi)發(fā)必備的信號處理芯片，是在柔性電路板上采用現成的微控制器以及其他組件。”
柔性電路板上需要做哪種信號處理？Javey解釋?zhuān)m然每個(gè)傳感器都能維持優(yōu)異的敏感性，但事實(shí)證明溫度以及酸堿(pH)值仍會(huì )對這種安培酶(amperometric enzymatic)傳感器的性能造成很大影響：“為了達成更精確的量測，我們需要進(jìn)行實(shí)時(shí)校正(calibration)以及信號補償，”這就是信號處理所需之處。
目前Javey團隊開(kāi)發(fā)的系統是以柔性電路板制作，他設想未來(lái)完全整合的多任務(wù)汗液傳感器將是能實(shí)現更實(shí)用、同步化之多重汗液生物標記檢測信息的終極關(guān)鍵；Javey并指出，他們采用的現成藍牙低功耗芯片與微控制器，都稍嫌大材小用，未來(lái)應會(huì )演變成定制化單芯片。
