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從互聯網到物聯網,生命傳感器的跨界應用
發布時間:2017-05-15   瀏覽次數:3135  返回

轉自:通信網

2015年初,美國研究人員發現了一隻可以聞出甲狀腺癌的德國牧羊犬。這隻名叫弗朗姬的牧羊犬被訓練成聞到甲狀腺樣本時會躺下,而當樣本正常時則會走開,研究人員對34名患者進行檢測時,成功率達到了88%。

88%的成功率,這是一個什麽概念?通常甲狀腺癌的檢測和診斷需要專業的儀器和複雜的生化檢驗過程,目前是通過檢測人體血液中的激素水平和提取細胞來進行診斷,檢測周期至少需要一天,若需要細胞培養或者通過DNA測序進行診斷的,則需要長達數周的時間。

多年前曾有這樣一本英文書,書名叫《我在雨中等你》,是美國作家加思·斯坦創作的一本通俗小說。書裏講述了一隻擁有人類靈魂的狗狗和他賽車手主人的故事。書裏的狗聞到了男主人老婆的腦瘤疾病,而書裏描述的醫院和醫生都無法提前診斷出女主人的毛病。由此看來,狗能聞出癌症的故事都已經是文學作品裏的素材了。除了甲狀腺癌和腦癌,狗還能聞出哪些癌症呢?

1989年,英國倫敦的兩位皮膚病學家在著名的醫學雜誌《柳葉刀》上描述過,一名44歲女性患者的狗狗發現了女主人腿上的一顆痣是惡性黑色素瘤(一種致命性的皮膚癌),原因是她的狗總是湊到她的腿上聞這顆痣並試圖咬掉它。直到這位女主人不勝其煩找到皮膚科大夫將這顆痣切除以後才檢查出來這是一顆惡性腫瘤。

2003年,研究人員發現狗可以從患者的呼吸中聞出腫瘤和乳腺癌。2004年,英國白金漢郡醫院使用生物檢測手段發現狗可以從患者的尿液中聞出膀胱癌。2011年,《英國腸胃病學會誌》上刊登的一篇研究文章表明,一隻經過特殊訓練的8歲大拉布拉多尋回犬可以從人的呼吸中聞出人類是否患有結腸直腸癌,成功率達到91%。

德國的研究人員在《歐洲呼吸雜誌》上發表報告說,嗅癌犬能辨別肺癌,準確率超過70%。這裏提到的“嗅癌犬”,包括德國牧羊犬、澳大利亞牧羊犬和拉布拉多犬。顯然,狗不僅能夠聞出甲狀腺癌,還能聞出皮膚癌、乳腺癌、結腸直腸癌等其他的癌症疾病。很遺憾的是,狗不能告訴我們癌症究竟是什麽味道的。

除了狗能夠聞出疾病,還有其他的動物有這樣的能力嗎?

在費城,科學家們訓練出一批老鼠來識別肺癌的味道,原理和哺乳動物靈敏的嗅覺有關。昆蟲也可以聞出疾病,世界上隻有四個實驗室在進行昆蟲診斷疾病的實驗。

蜜蜂可以聞到房間裏極其微弱的氣味,科學家已經證實蜜蜂的這種能力可以用來診斷肺結核和糖尿病等多種疾病。英國產品設計師Suana Soares設計了一種簡單的用蜜蜂來診斷疾病的裝備,稱為Bee’s。這些疾病包括像肺癌和卵巢癌這樣的癌症。這種設備的原理是在一個大的容器中間有一個相互連接的大小容器,病人向容器中吹氣,裏麵的蜜蜂會根據病人呼出的氣體發出某種警告。蜜蜂已經經過訓練能將糖和疾病相關的化學氣味聯係起來並發出警告信號。最終這種Bee’s設備在實際應用中隻能測出糖尿病。

通過訓練動物和昆蟲來診斷疾病的臨床應用,這裏有兩個門檻:一個是準確率,另一個是訓練成本和周期。為了解決這兩個門檻,科學家們開始了“電子鼻”的研究。

早在二十世紀六十年代,Wilkens和Hatman兩位科學家已經開始利用氣體在電極上的氧化還原反應原理開始了“電子鼻”的研究。1965年,Dravieks等利用接觸電勢的變化實現了“電子鼻”對氣體的測量。1987年,Gardner等研發了能測量氣體的傳感器,提出了“模式識別”的概念,為“電子鼻”奠定了理論基礎。1993年,Pearce等人把傳感器應用在啤酒檢測上。1994年,Gardner等發表了關於“電子鼻”的綜述性文章,正式提出“電子鼻”的概念。2005年,英國的科學家發明了一種能夠聞出感染了抗藥性極強的“超級細菌”患者的“電子鼻”。這種電子鼻的體積大約有兩台電腦顯示器大小,售價估計在6萬英鎊左右。2010年,以色列科學家研發出“電子鼻”,隻要通過簡單的呼吸測試,就可以查出肺癌、乳腺癌、腸癌和前列腺癌。

目前“電子鼻”已經廣泛用於工業生產的各個部門,如煙草業、化妝品、食品工業、石油化工、糧食貯存與加工、酒類和飲料、環保監測、臨床診斷。此外,“電子鼻”還用於商檢、微生物鑒別、藥物分類與辨別、宇航等部門,以及檢查爆炸物品、槍支彈藥、毒品與其他違禁物品等。

其實這種神奇的“電子鼻”,就是生物傳感器。隨著生物傳感器的不斷發展,物聯網也進入了老百姓的生活。

關於生物傳感器我們在第二章中有詳細的介紹,不過多展開,但生物傳感器的應用範圍除了智能可穿戴設備也涉及醫療診斷、食品毒性檢測、農業檢測、工業過程控製和環境汙染控製等方麵。其中醫療診斷是目前最流行的應用領域,而醫療診斷中即時檢測(POCT)是生物傳感器應用最多的領域。

根據2014年全球知名市場調研公司PMR(Persistence Market Research)發布的報告,2014年生物傳感器市場的市值為129億美金,預計到2020年將達到225億美金,複合年增長率(CAGR)為9.7%。其中北美是全球生物傳感器的最大市場,2014年市值57億美金,預計到2020年將達到95億美金。亞太地區由於醫療保險普及率的不斷擴大、人口基數大以及衛生保健係統的不斷升級,將成為增長最快的地區。

目前參與全球生物傳感器市場的包括雅培、西門子醫療、Nova Biomedical公司、拜耳、強生、美敦力、羅氏等企業。想想國內企業在生物傳感器研發上麵已經落後了許多,也許在服務應用層麵上能通過互聯網產業的推動實現“彎道超車”。

在多年前美國化學協會召開的一個會議上麵,曾經有科學家展示過DNA傳感器的應用場景。這種DNA傳感器也稱為基因傳感器,是生物傳感器的一種,能將目標DNA的存在轉變為可檢測的電信號的一種傳感裝置。這種靈敏快速準確的傳感器非常適合醫學檢測,包括傳染性疾病、遺傳學疾病以及惡性腫瘤等疾病上麵的檢測。在納米膜技術發展推動下,DNA傳感器在“即時檢測”的應用會越來越廣。

目前,生物傳感器的跨界應用已經實現。

2014美國知名時尚品牌拉爾夫·勞倫和加拿大初創公司OMsignal合作研發出來一種帶有生物傳感器的智能短袖襯衣。這種智能衣物能夠通過生物傳感器和移動技術收集用戶的運動和方向數據,數據上傳到雲端進行分析處理,最終通過手機APP實現用戶端的可視化信息統計。

在消費者市場熱捧下,生物傳感器的跨界應用會推動消費者慢慢的接受更多的穿戴產品“侵入”。像智能手表、健身手環以及隨身攜帶的一些追蹤器這樣的產品,很有可能最終的歸宿是在抽屜中塵封。

傳感器的跨界應用,對生物傳感器的需求能做到無縫切入,將是未來的趨勢。有人大膽的預測,10年內“即時檢測”的潮流會到來。生物傳感器的物理形態和應用情景將實現個性化。

智能設備通過互聯網讓我們實現了健康數據的收集和管理。德國柏林的夫朗禾費研究所開發了一套名為MyRehab的應用係統。整套係統包括一部特殊的攝像機、一台電視機和一條裝有多個感應器的胸帶。一個電視裏麵的虛擬人物通過係統指導病人進行鍛煉來實現康複。同時係統還實現了醫生、治療師和病人雙方通過互聯網視頻進行實時交流。

這樣的智能設備實現了醫生和病人的互聯,而這在國內已經不是新鮮事物。隨著互聯網醫療的不斷發展,遠程醫療已經能夠通過智能設備實現這樣的情景應用。除此以外,家具業也加入了智能設備的行列。隨著新一波智能化浪潮進入傳統行業。國內也從人人互聯進入到物物互聯。無論是人人或物物互聯,還是業業互聯,互聯網為我們的交流提供了前所未有的便利,交流的方式實現了數字化,社交世界也搬到了線上。任何的互聯都需要互動才能產生社交,社交的一個重要屬性就是數據的價值體現。在這樣的社交網絡裏麵,出現互動產品是必然趨勢。

我們想象中未來10年生物傳感器的發展,不再是像智能手表或者健身手環那樣,而是通過3D打印技術實現個性化的需求。近日,美國研究人員宣布開發出一種3D打印的可植入血壓傳感器裝置。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家創造了一個納米級別的“模孔蛋白”,這種碳納米管能在體內用於運輸藥物,作為新型的生物傳感器和DNA測序的應用基礎。梅奧診所和無線傳感器公司Gentag日前也宣布,雙方計劃開發一次性的無線可穿戴貼片傳感器,麵積隻有藥膏般大小,能和智能手機整合進行糖尿病、肥胖症和相關疾病的監控。

隨著生物傳感器整合3D技術和納米技術推動下,更多的穿戴設備將被重新定義,不僅在物理形態上,而且在和人類身體無縫對接上麵,更是帶給我們無限的想象空間。

 

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