研究背景
可穿戴傳感器是醫(yī)療健康領(lǐng)域的一種新興模式，能夠?qū)崿F(xiàn)健康和疾病的持續(xù)、去中心化、非侵入性或最小侵入性的監(jiān)測(cè)。持續(xù)的測(cè)量提供了豐富的時(shí)間序列生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)既全面又具有臨床意義。盡管大多數(shù)可穿戴傳感器最初僅限于生物物理測(cè)量，但下一代可穿戴設(shè)備正在出現(xiàn)，它們能夠在各種體液中進(jìn)行小分子和大分子的生化監(jiān)測(cè)，如汗液、呼吸、唾液、淚液和間質(zhì)液。
隨著人工智能在數(shù)據(jù)分析和決策技術(shù)方面的快速發(fā)展，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用在全球范圍內(nèi)得到了加速。盡管最近的試點(diǎn)試驗(yàn)已經(jīng)證明了這些可穿戴設(shè)備的臨床應(yīng)用性，但它們的廣泛普及仍需要在多種條件下進(jìn)行大規(guī)模驗(yàn)證，并考慮倫理問(wèn)題和社會(huì)文化的接受度。
從實(shí)驗(yàn)室原型到臨床工具的成功轉(zhuǎn)化，還需要一個(gè)全面的過(guò)渡環(huán)境，涉及所有利益相關(guān)方。可穿戴設(shè)備平臺(tái)必須在不同用戶群體中獲得認(rèn)可，為各種醫(yī)學(xué)適應(yīng)癥提供臨床價(jià)值，符合報(bào)銷要求，并有助于公共衛(wèi)生倡議。為了解決這一問(wèn)題，瑞士聯(lián)邦研究院Noé Brasier，加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校Joseph Wang，加州理工學(xué)院高偉等課題組在“Nature”期刊上發(fā)表了題為“Applied body-fluid analysis by wearable devices”的最新論文。在這篇觀點(diǎn)文章中，我們回顧了最先進(jìn)的可穿戴體液分析設(shè)備及其向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，并深入探討了它們的臨床目的。
研究亮點(diǎn)
可穿戴傳感器作為醫(yī)療健康領(lǐng)域的最新模式，得到了廣泛關(guān)注。它們能夠提供持續(xù)、去中心化、非侵入性或最小侵入性的健康監(jiān)測(cè)，尤其在生物物理和生物化學(xué)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集方面展現(xiàn)出巨大的潛力。
當(dāng)前可穿戴設(shè)備的主要應(yīng)用集中在生理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上，但下一代設(shè)備正朝著可以監(jiān)測(cè)體液中小分子和大分子的生化標(biāo)志物方向發(fā)展，包括汗液、呼吸、唾液、淚液和間質(zhì)液。快速發(fā)展的人工智能技術(shù)使得數(shù)據(jù)分析和決策支持更加精準(zhǔn)，從而加速了全球范圍內(nèi)可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。
盡管最近的試點(diǎn)研究已驗(yàn)證了可穿戴設(shè)備的臨床可行性，然而其廣泛應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，包括在多種臨床情境下的大規(guī)模驗(yàn)證、倫理問(wèn)題的考慮以及社會(huì)文化的接受度等。
要實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室原型到臨床工具的成功轉(zhuǎn)化，必須在包括患者、醫(yī)生、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和開發(fā)者等在內(nèi)的所有利益相關(guān)者的共同參與下建立全面的過(guò)渡環(huán)境。此外，設(shè)備平臺(tái)還需獲得不同用戶群體的接受，為臨床提供實(shí)質(zhì)性價(jià)值，并滿足報(bào)銷等政策需求。
圖文解讀
圖1: 體液分析的可穿戴傳感平臺(tái)。
圖2:在人類生命周期的背景下，用于各種體液的當(dāng)前可穿戴傳感設(shè)備。
圖3: 數(shù)字終端的發(fā)展。
圖4:在臨床醫(yī)學(xué)中，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用體液分析。
結(jié)論展望
可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)與臨床應(yīng)用
可穿戴設(shè)備提供了非侵入性或最小侵入性的連續(xù)、獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)室且精準(zhǔn)的體液分子分析。設(shè)備與平板電腦、軟件及人工智能算法的連接，使得健康和疾病的數(shù)據(jù)分析、解讀與預(yù)測(cè)能夠立即進(jìn)行，且不依賴于醫(yī)療機(jī)構(gòu)或?qū)I(yè)醫(yī)護(hù)人員。通過(guò)將分子分析與生物物理測(cè)量（如心率）相結(jié)合，可全面理解這些測(cè)量結(jié)果在整體健康中的意義，并極有可能為臨床提供更多價(jià)值。盡管體液分析的可穿戴設(shè)備已經(jīng)取得顯著進(jìn)展，但仍存在若干挑戰(zhàn)，主要集中在設(shè)備本身、技術(shù)轉(zhuǎn)化及臨床應(yīng)用等方面。
挑戰(zhàn)
材料與制造：確保材料的適應(yīng)性、靈活性與導(dǎo)電性仍然是挑戰(zhàn)。
電子設(shè)備問(wèn)題：設(shè)備噪音與實(shí)時(shí)操作中的靈活性不足。
生物傳感器的穩(wěn)定性：設(shè)備在長(zhǎng)期使用和存儲(chǔ)中的穩(wěn)定性需要解決。
與生理?xiàng)l件的兼容性：傳感器需要適應(yīng)不同的解剖結(jié)構(gòu)與生理?xiàng)l件。
佩戴者的接受度：用戶接受度與舒適性是推廣的重要因素。
電源問(wèn)題：尤其是在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中，自主供電至關(guān)重要。現(xiàn)有的充電鋰電池應(yīng)用廣泛，但自供電設(shè)備（如利用摩擦電納米發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池等）更具潛力。例如，一項(xiàng)涉及鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為汗液傳感器供電的研究展示了超過(guò)12小時(shí)的工作時(shí)間，但自供電設(shè)備的工作時(shí)間需至少達(dá)到24小時(shí)甚至更長(zhǎng)，以確保其臨床應(yīng)用的可行性。
轉(zhuǎn)化
數(shù)據(jù)可重復(fù)性：由于傳感器技術(shù)和生理學(xué)理解的局限，數(shù)據(jù)的可重復(fù)性可能受到影響。需要在不同環(huán)境中進(jìn)行大量測(cè)試，包括評(píng)估不同pH值下的傳感器準(zhǔn)確性及大規(guī)模的目標(biāo)人群研究。
臨床價(jià)值的證明：必須證明各方利益相關(guān)者（如患者、醫(yī)生、醫(yī)保支付者）從中獲得的好處，才能克服實(shí)施中的難題。需要理解患者、護(hù)理提供者、公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)以及監(jiān)管障礙，尤其是如何通過(guò)大規(guī)模臨床驗(yàn)證研究解決這些問(wèn)題。
臨床實(shí)施
誤診率問(wèn)題：高誤診率可能導(dǎo)致不必要的醫(yī)療檢查和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。確保測(cè)試的準(zhǔn)確性將是說(shuō)服醫(yī)療提供者和醫(yī)保支付者支持這些設(shè)備的關(guān)鍵。
大數(shù)據(jù)的臨床應(yīng)用：盡管可穿戴設(shè)備能提供大量數(shù)據(jù)，但并非數(shù)據(jù)越多就意味著更好的臨床結(jié)果。必須根據(jù)疾病和治療的動(dòng)態(tài)設(shè)定合理的采樣頻率，并確保患者能接受且資源可持續(xù)。
數(shù)據(jù)安全與互操作性：確保數(shù)據(jù)分析、交換和存儲(chǔ)的安全性，特別是數(shù)據(jù)互操作性，是成功實(shí)施的關(guān)鍵。
結(jié)論
大量可穿戴設(shè)備已被開發(fā)，用于非侵入性或最小侵入性的體液分析，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)的生化監(jiān)測(cè)，為下一代數(shù)字生物標(biāo)志物的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。體液分析的可穿戴設(shè)備不僅促進(jìn)了遠(yuǎn)程分子監(jiān)測(cè)的可及性，還能提供可能擴(kuò)展我們對(duì)健康與疾病理解的生物標(biāo)志物。體液分析的可穿戴設(shè)備代表了遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測(cè)的下一個(gè)范式轉(zhuǎn)變。
原文詳情：
Brasier, N., Wang, J., Gao, W. et al. Applied body-fluid analysis by wearable devices. Nature 636, 57–68 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08249-4
