面向精准医疗的智慧医疗传感技术(2)

虽然基于蓝牙的心电监护模块可以在单导联状态下从心电信号给患者一定时间的突发事件预警，但是相对较高的成本和佩戴舒适性在一定程度上妨碍了患者长期佩戴。在成熟的传感RFID技术基础上，开发低成本可佩戴人体生理指标传感RFID，不仅具有广阔的市场，而且由于RFID成本低廉、读取方便、与医疗物联网设备兼容，可以预见人体传感RFID将有可能同现有RFID标签一样，成为医疗物联网的基础传感电子器件5。

一种基于RFID传感器的心电监护系统如图1所示，可以看到心电信号通过无源RFID可以实现一米距离的数据采集和传送，继而通过ZigBee中继发送，形成异构网络，上传到数据中心，实现多导联心电数据采集，心电数据可以满足基本诊断要求。设计这样的RFID芯片，除了选择适当的频段用于低能耗数据传送外，还需要精巧地能源管理，使得模拟端获得足够能源来读取微弱心电信号[5]。半有源RFID通过射频源对集成在芯片内的电池充电可以实现10米左右的信号传送，而且可以避免使用无源芯片的天线，很多公司开发了用于可穿戴传感的半有源RFID，避免有源RFID电池体积过大造成的附加成本和佩戴舒适性问题，又可以直接对读卡器传送数据，具有较强的市场竞争力。

图1 基于RFID传感器的心电远程监护异构网络[5]Fig. 1 RFID based remote cardiopathy sensing heterogeneous network[5]

RFID由于成本较低，可以实现与贴片式传感器集成，在人体多位置贴合，可以同时获取如体温、脉搏波、血氧含量等信息，实现具有诊断意义的综合生理指标实施监护。随着电子皮肤概念的柔性薄膜传感器及柔性电子学进入实用化，硅基RFID芯片与聚合物基传感器集成，可望制成一次性使用的低成本贴片式人体生理指标RFID传感器，从而使远程健康监护更易于被广大人群接受。

另外，基于电化学原理的汗液传感器也在开发中，最近Joshua Windmiller和Jared Tangney发起的ElectroZyme或biolinq公司将电化学传感器制成贴片状，试图通过测量汗液中电解质、钠、乳酸、蛋白质和pH值等参数，向佩戴者提供肌肉疲劳、体力消耗水平的量化指标。随着各种纳米电子学器件的发展，对生物信号的提取精度越来越灵敏，将这些纳米生物电子学器件集成在人体表皮电子学器件，不仅可以检测一般生理信息，而且可以通过测量体表分泌与健康状态（疲劳、情绪紧张、亢奋）的关联，对人体综合生理信息与环境的关联进行大数据统计，建立相关数据库。

3 高灵敏度生物检测技术

3.1 个人DNA测序

生物检测技术正在快速走进高通量、低成本、高灵敏度时代，从DNA序列分析看，美国Illumina公司采取的第二代测序技术使得个人全基因组DNA分析的价格在1000美元，基本可以实现个人诊断服务，测序时间可以缩短到2小时，基本满足个人序列分析的成本和时间要求。但是第二代测序技术还必须通过PCR扩增，其准确性问题依然存在很多质疑。

基于单分子测序的第三代测序技术正在被广泛研究，而建立在纳米孔技术基础上的第四代测序技术如果被证明具有足够准确性和效率，将大大促进基因序列分析走向精准医学诊断标准。例如Oxford Nanopore Technologies公司通过纳米孔操纵单根DNA分子6，通过物理方法直接对DNA序列进行读取，无需扩增等生化处理，正向着高通量、高读长、低成本、小型化的方向发展。目前用于基因测序的纳米孔可分为生物纳米孔和固态纳米孔两类。第四代测序技术解决了错误率的问题，通过增加荧光的信号强度及提高仪器的灵敏度等方法，实现单分子和高通量测序。

图2 Oxford Nanopore Technologies的纳米孔测序技术原理图，（a）双链DNA被固定在生物膜表面的聚合酶phi29分离成单链DNA，单链DNA穿过纳米孔的速度被解链过程减低，在穿过纳米孔（深蓝部分）时，单碱基信号通过电脉冲被读出，（b）当单链DNA穿过纳米孔时，离子电流反映了碱基信号，每个电平代表一个停留在纳米孔位置的碱基，不同碱基电平不同，以此来区分不同碱基[6]Fig. 2 Scheme depicting the sequencing technique of Oxford Nanopore Technologies. （a） Double-stranded DNA is separated into single-stranded DNA by a polymerase such as phi29. This decelerates the translocation velocity of the ssDNA through the nanopore. The nanopore possesses a constriction inside the channel （dark blue diamond），which enables reading of the ssDNA sequence. （b） Simplified scheme depicting the decoding method. The ionic current trace is altered by the ssDNA sequence translocating through the nanopore，as shown in （a）. Each level represents one nucleotide residing inside the nanopore at a specific point in time. By detecting these levels，the sequence of the DNA can be decoded[6]

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0627/451.html