可摄入电子设备可用于追踪和治疗人体胃肠道中的不同疾病

可穿戴及可摄入电子产品的发展正在迅速提升生物电子设备的健康监测能力。

使用生物电子设备来追踪人体自身的健康以获知身体舒适度的观念已深入人心。据麦姆斯咨询报道，最新的苹果智能手表，仅在2022年就创下5000万的销售额，该手表可以测量体温和心率，检查人体血氧水平，并展示心电图。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一个开端。

首先，生物电子设备的形式多样，从可穿戴到可植入再到可摄入。研究人体可摄入设备（从人体内获取读数）的历史可以追溯到1957年，当时报道了一款能够读取人体内部压力和温度的可摄入胶囊。但正是在过去25年左右的时间里，随着PillCam胶囊内窥镜的推出，该领域的研究活动取得了更突出的进展。

可摄入电子设备可用于追踪和治疗人体胃肠道中的不同疾病。近年来，研究人员在传感器、电路和系统层面取得了进展，并创造了可以测量胃肠道气体和生物分子的设备。在Nature Electronics期刊的一篇题为“End-to-end design of ingestible electronics”的评论文章中，Yasser Khan及其同事研究了可摄入电子设备的发展。

通过他们的分析，南加州大学（University of Southern California）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的研究人员为系统级可摄入电子胶囊的设计提供了一个循序渐进的指导。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、定位和移动等。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固的刚性材料制成。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科研界关注的焦点，这可能会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人体的分子洞察。此类系统日益复杂的情况在Nature Electronics期刊的其它文章中得到了说明，Wei Gao及其同事在该期刊上报道了一款可监测和分类心理压力反应的电子皮肤。

可用于监测心理压力反应的电子皮肤

来自加州理工学院（California Institute of Technology）、香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology）和加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的研究人员使用了一种可扩展的喷墨打印方法，制作出了一种可以戴在手腕上的电子皮肤。该电子皮肤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电渗模块，可用于刺激出汗（无需剧烈运动，就可提供必要的汗液样本）。

Wei Gao及其同事的研究表明，该电子皮肤可以在24小时内持续监测个人的日常活动，从吃饭、睡觉到工作和锻炼。此外，来自该设备的数据可以高精度地针对不同压力源的反应进行分类。他们使用了三种不同的生理和心理压力源（冷压力测试、虚拟现实（VR）挑战和剧烈运动），在机器学习（ML）的帮助下，区分出了它们，准确率为98.0%。他们还可以量化心理压力反应，置信度为98.7%。

正如H.Ceren Ates、Cihan Ates和Can Dincer在Nature Electronics期刊新闻及评论文章“Stress monitoring with wearable technology and AI”中所阐述的那样，这项工作为“基于可穿戴的压力管理技术的发展奠定了基础”。他们还指出，这种方法是基于这样的观点——交感神经元活动和应激激素的释放会在测量变量（如心率和汗液代谢产物）上留下独特的印记。然而，目前还没有将这些测量结果与应激激素联系起来的数据库。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，来自德国弗莱堡大学（University of Freiburg）和卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）的H.Ceren Ates及其同事将继续研究如何利用这项技术创建未来的个性化压力管理系统。不过，他们提醒说，了解压力需要的不仅仅是传感器数据，还需要深入了解个人的主观体验，因此个人的主观报告数据需要集成到系统中。