跟蹤生物標(biāo)記物監(jiān)測(cè)用傳感器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上的進(jìn)展

作者 / Rob Irwin Molex工程經(jīng)理

　　一位業(yè)內(nèi)人士對(duì)用于人體生物標(biāo)記物持續(xù)監(jiān)測(cè)的非侵入式傳感器平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各個(gè)方面進(jìn)行了探索，并且就新型生物標(biāo)記物傳感設(shè)備制造預(yù)備度的當(dāng)前狀態(tài)提供了深入見(jiàn)解。

　　在飛速發(fā)展的醫(yī)療技術(shù)行業(yè)中，對(duì)于健康和醫(yī)療來(lái)說(shuō)，技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)使放棄“一刀切”的方法成為了可能，轉(zhuǎn)而采用配備了生物標(biāo)記物傳感功能的定制解決方案，以更加個(gè)性化的方式監(jiān)測(cè)個(gè)人的生理情況。生物標(biāo)記物是一類(lèi)特定的生理指標(biāo)，可用于確定各種病情或疾病的風(fēng)險(xiǎn)因素?？梢詾閭€(gè)人及其醫(yī)師提供重要的數(shù)據(jù)，更快的識(shí)別或者證實(shí)可能需要以治療的方式進(jìn)行干預(yù)的病情或疾病。

　　醫(yī)師通常使用生物標(biāo)記物，對(duì)可能患有癌癥、心臟病或之前未檢出糖尿病癥狀的患者進(jìn)行診斷和監(jiān)測(cè)。非侵入式生物標(biāo)記物傳感器可以準(zhǔn)確的測(cè)量出汗液和其他生物流體的變化，從而以更加個(gè)性化的方式，也稱為以患者為中心的方式，實(shí)現(xiàn)健身的目標(biāo)并提供醫(yī)療管理。早期檢測(cè)出特定的生物標(biāo)記物可以改善治療計(jì)劃的效果，并且降低不良事件造成的事件率與入院數(shù)量。早期檢測(cè)出危及生命的疾病可以潛在的挽救生命。

　　圖 1 可穿戴式傳感器

　　主流的可穿戴式健身器材可以檢測(cè)步數(shù)、心率和消耗的卡路里數(shù)之類(lèi)的測(cè)量指標(biāo)。當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)于可穿戴設(shè)備的興趣日益增長(zhǎng)，興趣已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì)各種生物特征參數(shù)的測(cè)量，轉(zhuǎn)向了測(cè)量體液的生物標(biāo)記物。血液、汗液、唾液和其他生物流體已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療環(huán)境下的臨床分析。通過(guò)體液來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)生物標(biāo)記物是一個(gè)無(wú)痛、非侵入的過(guò)程，有助于確保病人的配合度 – 可以為承受慢性疾病風(fēng)險(xiǎn)或者罹患這類(lèi)疾病的人群帶來(lái)全部的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于他們的醫(yī)師也同樣有所幫助。成功的進(jìn)行準(zhǔn)確、非侵入的生物標(biāo)記物持續(xù)監(jiān)測(cè)，代表了醫(yī)療保健上的巨大進(jìn)步，并且也會(huì)為傳感器設(shè)備的開(kāi)發(fā)商帶來(lái)大量的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

　　與血液或其他生物流體相比，汗液獨(dú)有的特征使得可以通過(guò)非侵入的方式，快速的進(jìn)行收集和測(cè)試。研究人員、創(chuàng)業(yè)企業(yè)和行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者都在積極的從事相關(guān)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并測(cè)試能夠測(cè)量人體汗液中各種生物標(biāo)記物的傳感器。已經(jīng)有多種原型設(shè)備充分利用了高度靈敏的碳納米管傳感技術(shù)，以及超薄柔性硅芯片模的開(kāi)發(fā)成果，保持穩(wěn)步發(fā)展。

　　圖 2 生物標(biāo)記物傳感器的概念

　　比如說(shuō)，乳酸就是汗液中存在的一種可能非常重要的生物標(biāo)記物，因?yàn)樗梢灾赋鋈说纳眢w是否已經(jīng)開(kāi)始疲勞，并且已經(jīng)被用作醫(yī)院病人全因死亡率的一個(gè)指標(biāo)。在基于汗液的葡萄糖監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面，也取得了一定的進(jìn)展，具有結(jié)合起透皮給藥系統(tǒng)的潛力，可同時(shí)用于多種藥物?；谄つw的傳感器還可以測(cè)試汗液中是否存在其他代謝物，例如電解質(zhì)、鈣和重金屬離子等等。通過(guò)生物醫(yī)學(xué)工程師和材料科學(xué)家之間的協(xié)作，推出了小型的可穿戴式柔性傳感器，能夠讀取汗液分子結(jié)構(gòu)中的多種生物標(biāo)記物，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析與跟蹤。

　　技術(shù)預(yù)備度和制造預(yù)備度水平的評(píng)估，對(duì)于生物標(biāo)記物傳感器都非常重要，以便識(shí)別出開(kāi)發(fā)中的差距以及風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于能夠檢測(cè)出汗液或其他體液中預(yù)計(jì)濃度水平的生物標(biāo)記物的柔性傳感器來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在著許多的挑戰(zhàn)。與血樣相比，汗液和唾液中存在的生物標(biāo)記物的濃度要低得多。收集到足夠容量和濃度樣本所需的時(shí)間具有高度的獨(dú)立性，與輸出、環(huán)境問(wèn)題和其他環(huán)境因素有關(guān)。對(duì)于可穿戴設(shè)備和一次性設(shè)備來(lái)說(shuō)，以可承受的成本來(lái)確保復(fù)雜流體讀數(shù)的可選擇性上與靈敏度上的一致性，是需要傳感器的開(kāi)發(fā)商和制造商克服的重大障礙。生物流體樣本在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可以不斷的更新，然而，盡管微流體技術(shù)的發(fā)展前途無(wú)量，真實(shí)世界中的測(cè)試對(duì)象已經(jīng)證明這一技術(shù)不足以以足夠的速度補(bǔ)充汗液從而維持平衡，例如，在一個(gè)汗液監(jiān)測(cè)用例場(chǎng)景中，傳感器的可選擇性、靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性都具有至關(guān)重要的作用。

　　一次性的生物標(biāo)記物傳感器一般都通過(guò)作為特定生物標(biāo)記物受體的化合物來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，這類(lèi)化合物可以將化學(xué)感受轉(zhuǎn)換為在傳感器上可變的電阻負(fù)載。為了最終將傳感器整合到可穿戴的一次性設(shè)備中，在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下，已經(jīng)成功的開(kāi)發(fā)出了多種引起大家興趣的生物標(biāo)記物傳感器技術(shù)，然而這類(lèi)技術(shù)還需要進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，從而為要求苛刻的可穿戴產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)所需的性能標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于濃度更低的樣本，傳感器甚至必須具有更高的靈敏度與穩(wěn)定性，這樣才能達(dá)到應(yīng)用的目標(biāo)。

　　與此同時(shí)，Molex 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種超薄的柔性傳感器展示平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)與形形色色的一次性傳感器的接口。這類(lèi)傳感器平臺(tái)通常采用定制的配置，從而可以按給定的傳感器響應(yīng)能力與應(yīng)用的要求，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解釋。這類(lèi)展示平臺(tái)上的傳感器采用的濃度往往要高于在極致的可穿戴式傳感器設(shè)備中可以達(dá)到的濃度，在確認(rèn)差距的同時(shí)，有助于表現(xiàn)出技術(shù)的潛力。在接受了生物標(biāo)記物的化合物后，可以有效的在傳感器上轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的負(fù)載，然后通?？蓪⑦@一負(fù)載放大并且數(shù)字化，傳送到處理器以執(zhí)行邏輯計(jì)算，最終再通過(guò)指示器的顯示屏或其他 HMI(例如，移動(dòng)應(yīng)用)顯示給用戶。

　　設(shè)備在商業(yè)上成功與否，除了可制造性以及最為重要的成本之外，還取決于傳感器系統(tǒng)的形狀系數(shù)與性能。電子元件集成的可靠性在優(yōu)先級(jí)上要高于相對(duì)于生物標(biāo)記物傳感器技術(shù)的商業(yè)化曲線。一系列傳感器平臺(tái)都可用于為原型的生物標(biāo)記物信號(hào)建模，以及開(kāi)展子系統(tǒng)的功能測(cè)試。典型的生物標(biāo)記物傳感器平臺(tái)的主要特點(diǎn)包括了微處理器、運(yùn)算放大器和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、LED 指示燈或超薄柔性顯示屏、天線、可能的輔助存儲(chǔ)器，以及鈕扣電池或薄膜電池。

　　通過(guò)采用基于 FR-4 的快速產(chǎn)出型印刷電路板組件，可以使集成傳感器設(shè)計(jì)的概念成為現(xiàn)實(shí)，對(duì)新設(shè)計(jì)中的各種變量作出限制。近期在柔性功能印刷以及裝配材料和技術(shù)上的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)的剛性或柔性蝕刻銅電路更加經(jīng)濟(jì)、重量更輕的柔性混合傳感器電子元件。在柔性銀電路上構(gòu)建的生物標(biāo)記物傳感器平臺(tái)允許進(jìn)行復(fù)雜性更高而且柔性更高、更為耐久的雙側(cè)電路布局。典型的系統(tǒng)可能包含聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 基板，其中的銀墨水和電介質(zhì)墨水應(yīng)用采用了廣泛應(yīng)用的印刷技術(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用需求的不同，舉例說(shuō)來(lái)，組件可以整合用于 IC 的 0.50 毫米螺距 QFN 封裝、保護(hù)關(guān)鍵元件的封裝、基于鋅錳或鋰聚合物的薄膜電池、生物相容的裝配膠粘劑，以及圖形覆蓋層，為制成品提供美觀的外觀效果。

　　圖 3 Soligie 柔性混合電路

　　對(duì)于集成傳感器平臺(tái)的核心因素來(lái)說(shuō)，功率預(yù)算是需要首先考慮的事項(xiàng)，然后需要開(kāi)發(fā)固件，為微控制器的功能、微控制器流程以及從傳感器、運(yùn)算放大器和 ADC 發(fā)出的放大的數(shù)字化數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，然后通過(guò)無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備，這類(lèi)無(wú)線技術(shù)往往采用近場(chǎng)通訊 (NFC 13.56MHz) 或低功耗藍(lán)牙 (BLE) 技術(shù)。當(dāng)前，大多數(shù)的集成傳感器設(shè)計(jì)厚度范圍在 2 至 5 毫米。然而，可穿戴的生物標(biāo)記物傳感器的真實(shí)形狀系數(shù)需要更薄，這樣才能為用戶帶來(lái)最大的舒適度，使侵入感降到最低。厚度更薄的硅芯片?？梢詫?shí)現(xiàn)更薄、柔性更高的基板。高速的板對(duì)板和卷對(duì)卷印刷與裝配技術(shù)可以規(guī)模更大的批次來(lái)處理厚度薄的多的基板(厚度為 1 至 2 毫米)。

　　圖 4 Soligie 柔性傳感器平臺(tái)

　　為了檢測(cè)出人體生物流體中的一系列生物標(biāo)記物，在改善超薄柔性傳感器的一致性方面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重大的進(jìn)步。然而，與用于計(jì)步或測(cè)量振動(dòng)、沖擊、環(huán)境溫度或表面溫度以及濕度之類(lèi)的其他外部因素的傳感器相比，對(duì)于與生物流體發(fā)生接觸的可穿戴設(shè)備，其要求將更加新穎，并且更加細(xì)致入微。我們需要開(kāi)展更多的工作，從而構(gòu)建起微型化的可穿戴集成生物標(biāo)記物傳感器解決方案，這類(lèi)解決方案需要具有高度的可靠性與準(zhǔn)確性，采取一次性設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)性極高。眾多開(kāi)拓性的開(kāi)發(fā)人員正在朝著低成本合規(guī)電子元件的方向努力，這類(lèi)電子元件可經(jīng)穿戴以監(jiān)測(cè)人體健康與性能指標(biāo)，敬請(qǐng)關(guān)注我們的更新內(nèi)容。