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可穿戴生物传感器技术如何提高人类健康水平

时间:2021-06-12 点击次数:

可穿戴设备已在市场上商业化,主要是实现心电图和光电体积图的测量,它们分别属于电化学传感器和光生物传感器。除这两种类型之外,可穿戴设备中还有一种更有价值的类型——生物传感器。该生物传感器通过无损检测体液生化指标来反映人体生理状态。这种生物标记物主要有汗液、泪液、唾液和间质液,还有体内代谢物、细菌、激素等。现在,可穿戴设备主要使用物理传感器来监测用户的动作能力和诸如步数、热能消耗和触觉等生命特征。由于它的功能从追踪身体活动扩展到关注医疗保健(如糖尿病管理或老年人远程监测等等),因此可穿戴设备也需要创新。一个典型的生物传感器包括两个基本的功能单位:一个负责生物标记(酶、抗体或DNA)选择性识别的生物受体,以及一个负责将生物识别过程转化成有用信号的物理或化学传感器。近几年来,随着无创采样和监测技术的日趋成熟,用无创可穿戴生物传感器代替常规血液检测已越来越接近现实。该装置具有使用方便,具有高可靠性,低成本,低损耗等优点。当前可穿戴式生物传感器主要分为三大类:可穿戴式生物传感器、可穿戴式生物传感器和口腔生物传感器。人体上的绝大多数可穿戴生物传感器都由皮肤覆盖,在各种可穿戴生物传感器中,通过皮肤与人体接触的可穿戴生物传感器是最受关注的。穿着式生物传感器可以从皮肤表面采集汗液或间质液体,并能实时分析或连续监测其中的生物标记物。这种感应器通常依赖生物受体,通过生物催化和离子识别标记物,并通过不同的传导方式如光学、电化学或机械来组合。电化学和色差是目前两种主要的传导方式。现在,可穿戴式生物传感器已经研发成功,常用的传感器有电子皮肤、临时印刷纹身、腕带、贴片或直接嵌入纺织品等。这种一体化的方式保证了传感器在身体运动时与皮肤紧密接触,并能承受机械压力。可穿戴式生物感应器泪液也是一种可以用来监测人体生理状况的生物液体。眼泪中的生物标记分子直接从血液中扩散出去,加上泪-血闭环,显示出与血压相关标记物质浓度。眼泪是眼睛防污机制的一部分,其组成不如血液复杂,因此泪液在无创监测和诊断方面更具吸引力。口罩式生物感应器中的许多生物标记物,通过参与体内的血液循环,以细胞运输或细胞间传输的方式进入唾液中,使唾液能反映人体生理状态,是一种理想的体液,可以代替血液进行分析。另外,唾液中蛋白质含量较高,适于检测唾液中与疾病、压力有关的生物标志物,在生物医学及健康监测方面也有重要价值。当前,可穿戴生物传感器的技术和商业化进程仍然面临着挑战,它仍然处在概念阶段,离实际应用还有一段距离,这类设备在探测范围、有效性、稳定性、精确度、供电、通讯、安全和隐私等方面也面临着诸多挑战。一种更广泛的生物标记测量方法。

现在,大多数的可穿戴式生物传感器只能检测少量的生物标记。将来,工业界应该致力于采用新的生物传感器形式和更好的非侵入式生物样品采集方法来监测更多的生物标记物种。理解每种生物液体的组成,以及它们与某些疾病的关系,对于在医疗保健领域提高可穿戴技术的知名度,并扩展这类设备的临床应用,是非常重要的。无创液样和同期标记物的检测浓度之间的实时关联,是获得样品检测合格的重要指标。生物传感器读出的说明,尤其是在有临床反应或手术反应的情况下,在现实世界中得到严格且可复制的说明。将来,为了鉴别新的生物标记,大家需要系统而深入地分析每种不同的有机体的组成。类似地,除了已有的体液类型外,还应寻求其它新的体液类型。这一更广泛的生物标记物的实时分析也将有益于生物医学的其他领域,例如通过生物标记物引导的新型实验疗法的临床发展。02精确度和稳定性确保可穿戴式生物传感器准确可靠地响应市场需求,提升市场接受度至关重要。表面污染效应是影响可穿戴生物传感器精度的主要因素,而表面污染效应又是影响传感器连续工作的主要因素。为了保证传感器长期穿戴的可靠性,有必要对传感器表面进行防污处理。以唾液为基础的口腔生物传感器将受到许多生物污染。所以,口腔生物传感器需要特别重视表面防护涂层,应谨慎选用传感器涂层材料,以降低生物污染的影响和消除电活性干扰。此外,还可以在传感器表面增加一种酶,以防止泄漏传感器上的潜在毒性。不像传统的基于实验室的生物传感器,可穿戴生物传感器可以影响生物传感的稳定性,而无需对环境进行长时间的户外活动。为了保证佩带过程中测量的准确性,还必须注意周围环境可能造成的污染、与陈旧体液的混合、相关传感器的连续信号漂移等因素。在硬件、电源、通信等方面03系统的集成和硬件的研究对于这类传感器的实际应用至关重要。必须根据具体的应用需求,将硬件组件与生物传感器平台高度集成。带有功能齐全的微处理器的印刷式无线电路板由于其灵活性强、成本效益高而得到广泛应用,这种电路板可以与电池集成。持续监测期间,为了给穿着者或其他最终用户提供有用和及时的信息,可穿戴设备的另一功能上的关键需求是保持低功耗。在能耗和数据速率之间,尤其是在需要高采样频率的情况下,这可能需要一种高效处理数据并保证数据安全的高效通信方式。在可穿戴式生物传感器平台上使用的最常用的电源是锂离子电池或碱性电池。但是,它们的体积很大,可能导致毒性问题,特别是基于锂离子系统。现在,电池已经能够使用弹性材料来提供更好的穿戴性能。由于复用多路感测平台对供电要求的提高,所以可穿戴传感器供电技术的发展成为一大热点。这种需求可以通过电力和更多的节能设备的发展以及减少能源需求的适应性算法得到补偿。在商业市场上,可穿戴生物传感器面临着一些与其基本运作功能相关的障碍。第一,可穿戴设备必须解决长时间工作而又不受控制的稳定性问题,如生物污染、生物鉴定成分本身固有的不稳定等。第二,设备必须能够可靠运行,而不需要频繁的校准。传感器的研究与开发必须保证较高的生物受体稳定性,才能保证响应的准确、可靠。再次,必须有合适的流体取样系统,例如微流控技术的应用,才能有效地将生物液体传送到传感器上,以确保可复制、精确的信号,以及可以忽略的样品污染。这一先进的可穿戴流体系统还可以促进多步生物亲和测定,尤其是免疫检测。对于长期使用的可穿戴设备而言,再生免疫传感器是另一项需要克服的挑战。完整的可穿戴式生物传感器平台需要将具有电力供应功能的无线电子装置结合起来,以保证数据处理和信号的安全传输。另外,移动终端和基于智能手机的显微镜的应用等,都将推动光学可穿戴生物传感器的发展。鉴于上述挑战的存在,大家才刚刚开始了解可穿戴生物传感器技术及其如何提高人类健康水平。

今后可穿戴生物传感器将有多种形式,从腕带到纺织品或时尚配饰,并逐步融入佩戴者的日常生活。考虑到竞争激烈的生物传感器研究和巨大的商业机会,大家有理由期待这个行业在不久的将来会有新的发展。佩戴式感应器市场有望迅速增长,而这类装置也将在未来改善人们的健康生活质量。

太阳集团5493con器是高精度力传感器、扭矩传感器、称重传感器的专业制造商,也是集生产、销售、售后服务于一体的综合技术创新企业。

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