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用汗水來收集「人體巨量資料

不同於傳統的可穿戴裝置,一種新開發感測器將人類的汗液設定為一種收集與探測更精確、更具洞察力之生理資訊的手段。
美國加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)的電子工程暨資訊科學教授Ali Javey,總是喜歡把他的團隊正在進行之可穿戴式電子研究專案稱為「人體巨量資料(big data of the human body)」
今日的可穿戴式感測器已經能追蹤使用者的身體活動與生命徵象,但Javey在近日於美國舉行的2016年度國際電子元件會議(IEDM)上發表他的研究團隊成果「可穿戴式汗液生物感測器(wearable sweat biosensor)」時指出:「沒有人能以分子(molecular)水準監測個人健康狀況。」
市面上已經有許多不同的可穿戴式裝置,如Fibit、Misfit、Apple Watch以及各種血糖儀等等,這些「智慧醫療」裝置似乎與現實世界僅距離一步之遙,顯然各種無所不在的無線技術以及運算技術,已經能增強針對每一位病患的監測。
然而,如同在同一場會議上德州儀器(TI)研究團隊發表「省電智慧可穿戴式裝置電路與系統(Circuits and Systems for Energy Efficient Smart Wearables)」論文時表示,資料擷取(data acquisition)仍然是最大的挑戰;為此各家廠商爭相開發超低功耗、軟性、印刷式電子元件,以催生能持續監測使用者健康狀況並能以非侵入式方法即時擷取人體資料的裝置。
在今年IEDM發表的多篇論文,就是關於軟性與印刷式電子元件技術;所提出的方案從高性能的軟性CMOS電路與感測器(由日本大阪府立大學發表)、省電多模式生物感測技術(TI發表),到RFID與醫療貼片應用之軟性金屬氧化物薄膜電晶體電路(IMEC發表)。
而Javey的團隊所發表之「可穿戴式汗液生物感測器」論文特別出色,因為該團隊探討了「以廣泛的汗液生物標記頻譜監測人體」。
20161214 IEDM NT03P1

圖片來源:IEDM
不同於傳統的可穿戴裝置,Javey團隊將人類的汗液設定為一種收集與探測更精確、更具洞察力之生理資訊的手段;他表示:「我們選擇汗液的原因,是因為那是最容易取得的體液。」
值得注意的是,汗液分析並不是新概念,已經有各種汗液生物標記被開發,用以定義人體健康狀況;Javey解釋,例如在運動領域,人們通常會以汗液分析來進行藥物檢測,還有汗液氯化物檢測已經是囊腫性纖維化(cystic fibrosis)的標準診斷程序。
Javey表示,可穿戴式生物感測器已經被應用於在各種室內或戶外的人體活動中,分析新陳代謝、電解質與重金屬等廣泛的汗液成分:「汗液中的鈉離子與鉀若過量損失,將導致低鈉血症(hyponatremia)、低鉀血症(hypokalemia)、肌肉痙攣或是脫水。」
其他發現還包括,汗液中的乙醇與葡萄糖據說在新陳代謝上與血液中的乙醇與葡萄糖相關,而汗液乳酸(lactate)可以被潛在視為壓力性缺血(pressure ischemia)的敏感性標記;不過今日的汗液分析仍是得將檢體收集起來送到實驗室去才能進行。
而Javey的看法是,最好的解決方案是「人體汗液的即時分析」──也就是利用像是貼片、放在人體上的汗液生物感測器,直接在排汗時立即對汗液進行分析。
完全整合的多工汗液感測系統
Javey的團隊開發了一種完全整合的多工汗液感測系統,將塑膠材料的感測器做為與皮膚之間的介面,而軟性電路板上的矽晶片則執行複雜的訊號處理;如下圖所示,該團隊開發的汗液感測器陣列包含兩種代謝物感測器(偵測葡萄糖與乳酸)、兩種電解質感測器(偵測鈉離子與鉀),以及一個皮膚溫度感測器。
20161214 IEDM NT03P2

圖片來源:IEDM
Javey並分享了該系統能進行多工人體量測的訊號傳導、處理與無線傳輸路徑(如下圖);最終收集到的資料會以無線方式傳輸到手機,透過專屬應用程式顯示:「我們開發了感測器,但沒有開發必備的訊號處理晶片,是在軟性電路板上採用現成的微控制器以及其他元件。」
20161214 IEDM NT03P3

圖片來源:IEDM
軟性電路板上需要做哪種訊號處理?Javey解釋,雖然每個感測器都能維持優異的敏感性,但事實證明溫度以及酸鹼(pH)值仍會對這種安培酶(amperometric enzymatic)感測器的性能造成很大影響:「為了達成更精確的量測,我們需要進行即時校正(calibration)以及訊號補償,」這就是訊號處理所需之處。
目前Javey團隊開發的系統是以軟性電路板製作,他設想未來完全整合的多工汗液感測器將是能實現更實用、同步化之多重汗液生物標記偵測資訊的終極關鍵;Javey並指出,他們採用的現成藍牙低功耗晶片與微控制器,都稍嫌「大材小用」,未來應會演變成客製化單晶片。

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