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Ali Javey，總是喜歡把他的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行之可穿戴式電子研究項(xiàng)目稱為“人體大數(shù)據(jù)(big data of the human body)”
新開發(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議(IEDM)上發(fā)表他的研究團(tuán)隊(duì)成果“可穿戴式汗液生物傳感器(wearable sweat biosensor)”時指出：“沒有人能以分子(molecular)水平監(jiān)測個人健康狀況。”
市面上已經(jīng)有許多不同的可穿戴式設(shè)備，如Fibit、Misfit、Apple Watch以及各種血糖儀等等，這些智能醫(yī)療設(shè)備似乎與現(xiàn)實(shí)世界僅距離一步之遙，顯然各種無所不在的無線技術(shù)以及運(yùn)算技術(shù)，已經(jīng)能增強(qiáng)針對每一位病患的監(jiān)測。
數(shù)據(jù)采集仍然是最大的挑戰(zhàn)；為此各家廠商爭相開發(fā)超低功耗、柔性、印刷式電子組件，以催生能持續(xù)監(jiān)測使用者健康狀況并能以非侵入式方法實(shí)時采集人體數(shù)據(jù)的設(shè)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(yī)療貼片應(yīng)用之柔性金屬氧化物薄膜晶體管電路。
而Javey的團(tuán)隊(duì)所發(fā)表的“可穿戴式汗液生物傳感器”論文特別出色，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)探討“了以廣泛的汗液生物標(biāo)記頻譜監(jiān)測人體”。
不同于傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備，Javey團(tuán)隊(duì)將人類的汗液設(shè)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?yàn)槟鞘亲钊菀兹〉玫捏w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(biāo)記被開發(fā)，用以定義人體健康狀況；Javey解釋，例如在運(yùn)動領(lǐng)域，人們通常會以汗液分析來進(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(biāo)準(zhǔn)診斷程序。
Javey表示，可穿戴式生物傳感器已經(jīng)被應(yīng)用于在各種室內(nèi)或戶外的人體活動中，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量損失，將導(dǎo)致低鈉血癥(hyponatremia)、低鉀血癥(hypokalemia)、肌肉痙攣或是脫水。”
其他發(fā)現(xiàn)還包括，汗液中的乙醇與葡萄糖據(jù)說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(biāo)記；不過今日的汗液分析仍是得將檢體收集起來送到實(shí)驗(yàn)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(tǒng)
Javey的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種完全整合的多任務(wù)汗液感測系統(tǒng)，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(zhí)行復(fù)雜的信號處理；如下圖所示，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的汗液傳感器數(shù)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)，以及一個皮膚溫度傳感器。
Javey并分享了該系統(tǒng)能進(jìn)行多任務(wù)人體量測的信號傳導(dǎo)、處理與無線傳輸路徑(如下圖)；最終收集到的數(shù)據(jù)會以無線方式傳輸?shù)绞謾C(jī)，透過專屬應(yīng)用程序顯示：“我們開發(fā)了傳感器，但沒有開發(fā)必備的信號處理芯片，是在柔性電路板上采用現(xiàn)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，雖然每個傳感器都能維持優(yōu)異的敏感性，但事實(shí)證明溫度以及酸堿(pH)值仍會對這種安培酶(amperometric enzymatic)傳感器的性能造成很大影響：“為了達(dá)成更精確的量測，我們需要進(jìn)行實(shí)時校正(calibration)以及信號補(bǔ)償，”這就是信號處理所需之處。
目前Javey團(tuán)隊(duì)開發(fā)的系統(tǒng)是以柔性電路板制作，他設(shè)想未來完全整合的多任務(wù)汗液傳感器將是能實(shí)現(xiàn)更實(shí)用、同步化之多重汗液生物標(biāo)記檢測信息的終極關(guān)鍵；Javey并指出，他們采用的現(xiàn)成藍(lán)牙低功耗芯片與微控制器，都稍嫌大材小用，未來應(yīng)會演變成定制化單芯片。
