Nat. Electron. | 生物电子学压力测试

可穿戴和可摄入电子产品的进步正在迅速扩展生物电子设备的健康监测能力。

使用电子设备来追踪您的健康和福祉的想法已经成为许多人的既定做法。最新的智能手表（例如 Apple Watch，仅 2022 年销量就达到 5000 万部[1]）可以测量体温和心率、检查血氧水平并进行心电图检查。但这可能只是生物电子设备在持续健康监测和个性化医疗方面的开始。

首先，此类设备形式多样，从可穿戴式到可植入式再到可摄入式。关于可吞咽设备（然后提供体内读数）的研究可以追溯到 1957 年，当时报道了一种能够读取内部压力和温度读数的可吞咽胶囊[2]。但正是在过去 25 年左右的时间里，随着 PillCam 胶囊内窥镜[3]的推出，该领域的研究活动获得了更加显著的势头。

可摄入的电子设备可用于跟踪和治疗胃肠道中的不同疾病。近年来，传感器、电路和系统层面都取得了进步，并且已经创建了可以测量胃肠道气体[4]和生物分子[5]的设备。Yasser Khan 及其同事研究了可摄入电子产品的发展，并发表在《Nature Electronics》上[6]。

通过分析，南加州大学和佐治亚理工学院的研究人员为系统级可摄入电子胶囊的设计提供了分步指南。他们探索了此类设备的关键组件和功能，包括传感器、执行器、集成电路、通信、电源、封装、定位和运动。他们还评估了目前限制该技术更广泛应用的问题。

可摄入电子设备通常由坚硬的刚性材料制成。商业可穿戴技术也是如此。但柔性和可拉伸材料在可穿戴设备设计中的潜力是研究界关注的焦点，并且可以显著扩展此类设备的功能。该方法可以让设备与皮肤形成紧密接触，并可以通过汗液传感提供对身体的分子洞察。高伟及其同事据此报告了一种可监测和分类压力反应的可穿戴传感器[7]。

这些来自加州理工学院、香港科技大学和加州大学洛杉矶分校的研究人员使用可扩展的喷墨打印方法来构建可以佩戴在手腕上的电子皮肤。该设备包含一个微流控模块和一系列传感器，可连续监测人体汗液中的分子生物标志物（如葡萄糖和钠离子）以及各种生命体征（如皮肤温度和脉搏波形）。它还集成了一个微型离子导入模块，用于诱导出汗（无需剧烈运动便可提供必要的样本）。

高伟及其同事们证明，电子皮肤可以在 24 小时内连续监测一个人的日常活动——从吃饭、睡觉到工作和锻炼。此外，该设备的数据可以高精度地对不同应激源的反应进行分类。使用三种不同的生理和心理压力源（冷压力测试、虚拟现实挑战和剧烈运动），并且在机器学习的帮助下，可以以 98.0% 的准确度区分不同的压力源。他们还可以量化心理应激反应，置信度为 98.7%。

正如 H. Ceren Ates、Cihan Ates 和 Can Dincer 在随附的一篇《新闻与观点》文章[8]中所解释的那样，这项工作为“基于可穿戴设备的压力管理技术的发展奠定了基础”。他们还指出，该方法基于这样的想法：交感神经元活动和应激激素的释放会在被测变量（例如心率和汗液代谢物）上留下独特的指纹。然而，目前没有数据库将这些测量值与压力荷尔蒙相关联。因此，“临床研究对于精确量化生理参数和压力之间的复杂关系至关重要”。

值得注意的是，Ates 和来自弗莱堡大学和卡尔斯鲁厄理工学院的同事继续考虑如何使用这种技术来创建未来的个性化压力管理系统。但他们在这里警告说，理解压力不仅仅需要传感器数据：还需要深入了解一个人的主观体验，因此自我报告的数据需要集成到任何系统中。