可穿戴设备又添一员:通过人身上的汗测出身体状况_智能_好奇心日报

Apoorva Mandavilli2019-01-21 10:26:27

“它符合我们看到的一个医学大趋势:量身定制的个人治疗与护理方式。”

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不久的将来,或许就是未来一年内的某一天,你将可以在手臂上贴一块柔软、有弹性的贴片,让它告诉你,你的身体是否缺水、你体内电解质是否严重失衡,或者让你知道自己是否患有糖尿病。

Fitbit、Apple Watch 等健身追踪器已经可以跟踪记录你的步数、心跳和睡眠节律了。但这类产品往往僵硬又笨重,功能主要也就是收集一些物理指标,并不会评估人的根本生理状况。

新一代设备的目标则是一次性分析汗液中的许多化学物质,实时诊断穿戴人的健康或健身状况。这类设备还可以紧密贴合肌肤,上至老年人,下至早产儿,每个人都可以舒适穿戴。其中有款设备已经出现在了佳得乐(Gatorade)的广告中

上周五,《科学进展》(Science Advances)期刊介绍了这项技术的最新进展:一款新设备可实时提供穿戴人的 pH 值、出汗率和体内氯离子、葡萄糖、乳酸盐的含量。(体内乳酸盐过多可能表明穿戴人患有囊胞性纤维症、糖尿病或缺氧。)

伊利诺伊州西北大学(Northwestern University)生物医学工程师约翰·罗杰斯(John Rogers)是这一设备的关键设计者。他说:“它符合我们看到的一个医学大趋势:量身定制的个人治疗与护理方式。”

多年来,人们一直在期待这样的设备,这一领域也一直在加速发展。一些目前正在开发的类似设备是软的,一些利用电子式传感器读取化学物质,还有一些则依靠比色法,用读数的颜色深浅体现监测化学物质的浓淡。这款新设备具备所有这些功能,而且无需电池、采用无线连接。

奥地利林茨约翰·开普勒大学(Joannes Kepler University Linz)工程学教授马丁·卡尔滕布伦纳(Martin Kaltenbrunner)说:“看起来他们似乎是把所有功能都集成在这一款设备的第一版上了。这篇论文里展示的技术水平非常、非常先进。”卡尔滕布伦纳教授并未参与此次研究。

这款新设备底部设有小孔,可以方便汗液自然流动。从孔洞处开始,阀门和约有头发丝宽的微通道形成了一套复杂的网络,将汗液输送到微小的储液器中。每个储液器中都安有一个传感器,可以与汗液中一种化学物质发生反应,比如葡萄糖或乳酸盐。

“(结构)基本上就是这样,”罗杰斯博士说,“没有需要穿透肌肤的东西,也没有引导汗流的电源。”

设备采用的技术与智能手机用于发送无线支付信息的技术相同。手机可以通过这一无线连接为设备供电、接收数据。此外,设备也可以将数据发送到与跑步机或健身房任意角落相连的读数器上,最终设备甚至可能可以将数据发送到更远的读数器上。

系统具备多种功能,可以设置成在某段时间内跟踪记录一种或多种化学物质,比如在马拉松比赛中记录某位跑者体内的乳酸盐水平。设备本身具有防水、贴合身体的特点,因此游泳爱好者也可以用它记录自己的表现。

使用到最后,设备里会充满汗水,确实不那么卫生。不过,你可以轻松从电子元件上拆下并更换通道系统,延长设备的使用寿命。卡尔滕布伦纳博士说:“这种将传感器模块化的设计特别好。”

为方便大规模销售,所有汗液传感器都要能够低成本生产。卡尔滕布伦纳博士表示,由于这一设备具有改革医疗保健的潜力,许多团队都在集中精力攻克这一目标。“如果我得每天去一次诊所才能收集我的数据,我就不会收集数据了,”他说,“但如果我只要贴一块贴片,就能自己监控自己的数据,那收集健康数据的壁垒就会降低。”

罗杰斯博士的团队已经开始测试这项技术,用它筛查罕见的遗传性疾病囊胞性纤维症了。医生们已经尝试过观察儿童汗液中氯离子的浓度,来确定儿童是否患有囊胞性纤维症。但他们通常都会使用一种僵硬、令人不适的设备,把它紧紧绑在儿童手臂上进行一次性的测量。

2017 年,另一支团队介绍过一种灵活的可穿戴传感器,它也可以分析汗液中的氯离子,筛查囊胞性纤维症。但是,这款传感器要用电池,而且不能像罗杰斯博士的设备一样单独收集汗液。

阿里·贾维(Ali Javey)是 2017 年那支团队的成员,也是加州大学伯克利分校的电子工程与计算机科学教授。他说:“现在真正需要的是人类健康的大数据。”他表示,罗杰斯博士发明的设备“真的很重要”,因为它“穿戴舒适,有不同的传感模式,而且很强大”。

罗杰斯博士的团队已经在卢里芝加哥儿童医院(Lurie Children’s Hospital of Chicago)对患有囊胞性纤维症的儿童测试他们的设备了。他们目前处于临床试验的后期阶段,正计划向美国食品药品监督管理局申请批准许可。

传感器还有一个更大的市场:帮助美国约 3000 万糖尿病患者跟踪记录他们的血糖水平。现在市面上最先进的糖尿病传感器,是美国食品药品监督管理局 2017 年批准的一种搭配小读数器的柔软皮肤贴片,依靠刺入皮肤的微小针头监测穿戴人体内血糖水平。

理想的设备应该不含针头,也不用抽血。然而,要想利用汗液监测血糖水平,科学家们首先需要对汗液有更多了解:不同人之间出汗率有什么不同、不同的生化药剂是如何进入汗液的、这些不同的指数水平如何反应血糖情况。

贾维博士的合作伙伴、斯坦福大学儿科教授卡洛斯·米拉(Carlos Milla)表示:“我们需要退后一步,仔细想想我们要怎样理解我们测量的对象。”

新研究证明了米拉教授的担忧。这款设备测量了汗液中的葡萄糖含量,但结果表明,这并不能很好地代表血液中的葡萄糖含量。汗液中的葡萄糖含量反应的是 30 到 60 分钟以前的血糖水平。就帮助糖尿病患者而言,这点时间太长了。

罗杰斯博士表示:“这说明事情可能不像我们原来希望的那么简单。”他还说,汗液中的葡萄糖含量可能可以作为一项指标,它更有助于筛查糖尿病而非实时监测血糖水平。

罗杰斯博士还在与人合作开发尿素与肌酸酐传感器。这两种指标可以反映肾脏的功能状况,跟踪记录接受康复治疗的中风患者的康复情况。还有些实验室则在尝试开发探测抑郁症等精神健康状况的传感器,比如加州理工学院高伟(Wei Gao)领导的实验室。

这些设备可能很快就会取得进展。2016 年 11 月,罗杰斯博士介绍了他对汗液进行比色分析的设备的早前版本。几周后,他就在和佳得乐、欧莱雅(L’Oreal)探讨这一技术的应用了。去年 12 月,佳得乐发布了一支塞雷娜·威廉姆斯(Serena Williams)主演的广告,暗示即将推出一系列基于人体汗液特点的产品。欧莱雅则在推广一款能够追踪皮肤水分的小贴纸。(罗杰斯博士的设备还出现在了纽约现代艺术博物馆[the Museum of Modern Art]的一场展览上,并且还成为了博物馆的永久收藏之一。)

“从中你可以看出这方面的发展有多快,”罗杰斯博士说,“两三年都是很保守的估计了。”


翻译:熊猫译社 钱功毅

题图版权:J. Rogers, Northwestern University

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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