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柔性混合電子元件,解鎖下一代醫(yī)療傳感

2018-08-27

  柔性可穿戴醫(yī)療傳感器,可以幫助醫(yī)生輕松、無痛地收集患者數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)更精準的診斷和有效治療。

  過去10年來,曾經(jīng)只有醫(yī)院和專業(yè)醫(yī)療人員才能使用的醫(yī)療器械,在消費類醫(yī)療保健市場急劇增長,例如脈搏血氧儀、紅外溫度計、自動心率監(jiān)測儀,甚至自動體外除顫器(AED)等主動干預設備。這些裝置大大解放了患者,可幫助醫(yī)生對患者進行遠程診療,從而無需專門跑去診所或醫(yī)院。

  為了滿足日益增長的門診監(jiān)測和家庭診斷需求,研究人員一直在改進柔性混合電子元件(FHE)和數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù),并將這些技術(shù)融入可穿戴設備。他們還在開發(fā)彈性接口來連接病人和設備,以改善數(shù)據(jù)收集并提高數(shù)據(jù)的準確性。

  四個等待組裝的無線EKG心電圖傳感器(圖片源自GE Global Research)

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  什么是柔性混合電子元件(FHE)?

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  柔性混合電子元件(FHE)結(jié)構(gòu)示意圖

  FHE通過將獨特的新印刷工藝和新材料相結(jié)合,為日常生活中的產(chǎn)品提供硅集成電路的強大功能。其結(jié)果是:輕量化、低成本、柔性、舒適、可拉伸和高效的智能產(chǎn)品,在消費類、商業(yè)和軍事應用中具有無線前景。

  更頻繁地定期收集患者數(shù)據(jù),比如過去可能一年或半年才會做一次回訪收集患者數(shù)據(jù),可以為患者創(chuàng)建一個“個人基線”。例如,一個病人的心率或血壓,與混合了許多因素的全球平均值相比,并沒有與病人今天早上、昨天、上個星期或上個月的數(shù)據(jù)相比那么重要。后者的數(shù)據(jù)比較,通常可以表明病人是否需要就醫(yī)或者采取其它干預手段。

  不客氣地說,現(xiàn)在我們的汽車都會定期保養(yǎng),汽車檢測診斷的歷史數(shù)據(jù),甚至做的比我們?nèi)艘?。根?jù)內(nèi)科醫(yī)生協(xié)會的一項研究,如今,美國的醫(yī)生問診時間平均長度不到20分鐘,而在英國,這一數(shù)字甚至要少于8分鐘。

  在這種情況下,醫(yī)生可能只能引用相隔3到18個月的數(shù)據(jù)信息,然后根據(jù)他們看到的其他病例,對病患個人病史的模糊記憶,以及醫(yī)療帳戶檔案,結(jié)合他們的訓練和直覺,給出診斷結(jié)論和治療建議。這顯然不是一個科學的過程。因此,改善的個人基線數(shù)據(jù),是提高未來診斷準確性的好方法。

  美國柔性混合電子制造創(chuàng)新中心NextFlex

  據(jù)麥姆斯咨詢介紹,NextFlex是一支美國制造業(yè)研究網(wǎng)絡的領(lǐng)導力量。NextFlex是由美國國防部(DoD)和FlexTech聯(lián)盟合作組成,是由企業(yè)、學術(shù)機構(gòu)、非營利組織以及美國州、地方和聯(lián)邦政府組成的聯(lián)盟,其共同目標是進一步推進美國FHE的制造。自2015年成立以來,NextFlex由思想領(lǐng)袖、教育工作者、問題解決者和制造商精英團隊齊聚一堂,共同推動創(chuàng)新,加速美國FHE生態(tài)系統(tǒng)的形成,通過投資超薄型設備加工、傳感器集成打印和封裝、系統(tǒng)設計工具以及可靠性測試和建模,來促進FHE技術(shù)商業(yè)化。

  NextFlex專注的其中一個重點領(lǐng)域是可穿戴醫(yī)療傳感器和診斷設備。該組織的第一批項目涉及個人傳感器系統(tǒng)的開發(fā)工作,包括氧傳感和類皮膚醫(yī)藥繃帶(由普渡大學、Integra LifeSciences和西密歇根大學領(lǐng)導);電刺激傳感器和愈合器械(由加州大學伯克利分校和捷普集團領(lǐng)導);無線EKG設備(由GE Global Research和賓厄姆頓大學領(lǐng)導);口服生物標志物傳感器(由PARC和UCSD領(lǐng)導)。這些傳感器都在其設計中融入了FHE,通過對人體的持續(xù)監(jiān)控提供了改善的病患數(shù)據(jù)采集。

  如今,電子元件的組裝可以在100?C以下進行,因此新開發(fā)的傳感器可以包含那些必須保持在相對較低溫度下的組件。這意味著在新型傳感器中可以使用生物材料,例如噬菌體和某些蛋白質(zhì),這為打造一類全新的傳感器打開了大門。

  具有可拉伸基板的柔性電路,可與患者皮膚緊密貼合,改善了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏蚀_性。在許多情況下,適應不同患者的能力,也改善了應用傳感器的過程,這也會提高診斷準確性。

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  上圖展示了薄膜傳感器厚度如何影響其與皮膚表面的貼合適應性,最薄的薄膜貼合度最好(圖片源自UT Austin)

  除了改善的適應能力之外,傳感器可以做得更小、更薄,因此它們可以做得不那么突出和笨重,變得更加舒適,從而在所需要的位置佩戴更久。患者也更有意愿去佩戴這類舒適的傳感器,建立來自患者的連續(xù)數(shù)據(jù)流。

  總體來看,它們整合了一系列可穿戴傳感器的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)可以產(chǎn)生真正的突破。例如,一位醫(yī)學研究人員表明,通過心率和體溫的聯(lián)合觀察,可以比觀測其中任何一種數(shù)據(jù)讀出,更準確地預測某類病毒的暴露。

  目前,很多公司正在開發(fā)多傳感器可穿戴設備。例如,有一家公司的多傳感器設備可以測量患者汗液的化學成分。

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  汗液傳感器的構(gòu)建(圖片源自Epicore Biosystems)

  另一家公司在開發(fā)一種具有中距離無線射頻傳輸?shù)牡凸亩鄠鞲衅髻N花,可監(jiān)控并記錄任何傳感器發(fā)送給它的反饋信息。

  第三家公司則在組合幾種臨床級醫(yī)療傳感器,以消除醫(yī)院病人身上的各種電線和導線,以方便在舒適的家中監(jiān)控患者。在一家醫(yī)院,有近300家醫(yī)療護理供應商分別通過控制中心監(jiān)控三名或更多的患者。

  該計劃非常成功,該醫(yī)院已與其他三家連鎖醫(yī)院簽訂了合同,以提供同樣的醫(yī)療監(jiān)控能力。該醫(yī)院還了解到,患者可以在家中修養(yǎng),并在整個康復過程中得到良好的監(jiān)控。更好的結(jié)果是,他們還發(fā)現(xiàn)通過這種方式患者恢復得更快,成本也降低了。

  在醫(yī)療保健傳感器領(lǐng)域,柔性混合電子元件可提供許多優(yōu)點和益處。像我們這樣的組織,不僅在開發(fā)柔性傳感器,而且利用基礎(chǔ)研究證明了這些設備是可以實現(xiàn)的,并能通過規(guī)模制造降低成本,使這些傳感器能夠在全球普及。

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  NextFlex發(fā)起新一輪1000萬美元資金,用于柔性混合電子元件在航空、數(shù)字健康以及國家安全領(lǐng)域的創(chuàng)新。獲資助項目將包括柔性混合電子器件工藝、電子紡織、3D電子設計和電源集成等方面的創(chuàng)新。

  NextFlex近日發(fā)布了新一輪項目征集Project Call 4.0(PC 4.0),旨在尋求進一步開發(fā)和應用FHE的項目,為它們提供資金支持。前三次項目征集計劃的反響令人震驚,共收到178份初始提案,投資額超過5900萬美元。PC 4.0的總項目資金預計將超過1000萬美元。

  PC 4.0的需求范圍非常廣泛,代表了NextFlex在廣泛的應用領(lǐng)域(從數(shù)字健康到商業(yè)航空到國家安全需求)所確定的技術(shù)和能力空白。這些領(lǐng)域涵蓋了可穿戴設備封裝技術(shù)、高性能和高層數(shù)FHE、3D電子設計、電子紡織領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性解決方案、生化監(jiān)控平臺以及無人機輕型電子設備等。

  “NextFlex的項目征集計劃已經(jīng)證明是非常成功的,”NextFlex執(zhí)行董事Malcolm J. Thompson博士說,“我們不斷解決聯(lián)盟成員單位提出的FHE制造挑戰(zhàn),憑借前三次Project Call計劃正在進行中的31個項目,我們預計這將引起FHE領(lǐng)域更多的興趣和關(guān)注。Project Call 4.0中的研究主題,將建立在已成功開發(fā)的基礎(chǔ)之上,并將學習利用我們之前的項目成果?!?/p>

  為了驗證這些制造能力,項目提案將專注于以下方向:

  - 無人機輕型柔性電子平臺

  - 用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的大面積傳感器系統(tǒng)

  - 用于監(jiān)測流體生物標記物的微創(chuàng)可穿戴柔性裝置


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