新型腕帶設備可以通過汗液診斷疾病，比你現在的智能手環炫酷多了｜奇點猛科技

目前市場上的智能手環，大多是收集用戶的運動數據以及心跳、血壓等數據，再以APP的形式進行直觀展示，一定程度上滿足了消費者對「好玩」和「炫酷」的追求。與市售產品不同的是，《Nature》雜誌曾刊登過一篇文章，提到美國斯坦福大學和加州大學的科學家開發了一款可以診斷疾病的可穿戴智能設備，希望只通過對汗液的分析，實現對人體更加全面的生理監測和疾病診斷[1]。

最近，這幾位科學家又在美國《國家科學院學報》上發表了最新的研究成果。斯坦福大學生物化學和遺傳學教授Ronald Davis和他的小夥伴們表示，嵌入了靈敏感測器和微處理器的最新款腕帶設備，能夠準確診斷糖尿病、囊性纖維病等疾病。更有意思的是，新款設備是主動刺激汗腺產生檢測所需的微量汗液，且不會產生任何不適感[2]。

Ronald Davis教授（圖片來源：斯坦福大學官網）

我們身體排出的汗液就像是一本包含了大量信息的圖書，其中各種化學物質，如電解質、重金屬和蛋白質的含量變化，可以揭示出人體內部正在發生的生理變化[3]。比如汗液中的乙醇、葡萄糖與血液中的乙醇、葡萄糖含量密切相關，而汗液氯化物檢測已經是囊性纖維病的標準診斷程序。

汗液分析從來不是什麼新概念，只不過目前需要先單獨收集汗液，再送到實驗室去利用各種儀器進行分析。所以，如果有一款智能手錶，能夠對人體汗液進行實時的數據採集和分析，那麼就能實現分子水平上對用戶健康狀況的監測。這與諸如Fibit、Misfit、Apple Watch以及各種血糖儀等「智能醫療」設備將有著本質的區別和絕對的優勢！

思路就是這麼個思路，但真正實現起來就是一項複雜的工程。為了實現以非侵入式方法實時擷取人體汗液數據，研究團隊開發了一個可穿戴的汗液採集和感測系統，特殊塑料材料做成的感測器做為與皮膚接觸的介面，而軟性電路板上的硅晶元則執行複雜的信號處理。

電極陣列和無線柔性印刷電路板（FPCB）

這裡面有一個看似不起眼，卻很重要的問題。想要對汗液進行分析，總得有「汗」吧。尤其是對於一些不愛運動的人來說，想要他們隨時提供足夠的汗液就有點難了。為此，研究團隊設計了電化學增強型離子電滲介面，輕鬆克服了這一挑戰。藉助於微弱的電流將刺激性化合物（如毛果芸香鹼）遞送到汗腺，就能得到足量的汗水（其實也就10μL而已）[4]。並且實現了無線編程式控制制，以不同的排泄速率和時間間隔進行誘導出汗。

刺激汗腺產生一次監測所需的足夠汗水之後，感應電極將會立即在「現場」對採集的汗液成分進行分析，因此也就能記錄下汗液中各種關鍵物質（例如葡萄糖，Na +和Cl -）的濃度實時變化情況。集成電路晶元在經過對信號的初步處理後，通過藍牙將數據傳輸到智能手機，並上傳至雲伺服器進行最後的分析、診斷。

這種一體化、自動化和可編程的平台，完全實現了對個人進行連續、無創和原位的監測，不僅避免了汗液樣品的降解、蒸發和污染，而且具備多任務操作和可編程參數調整的功能。

這還沒有完。想要通過人體汗液進行健康解密，還要解決諸如「哪些物質才是關鍵標誌物，其濃度變化意味著什麼，以及怎樣消除人與人之間的指標差異」等問題。怪不得美國加州大學伯克利分校電子工程暨信息科學教授Ali Javey，將這個看起來是「硬體」的研究項目稱為「人體大數據項目」[5]。

當然，我們都好理解，如果一個人汗液中氯離子含量高，那麼有可能患有囊性纖維病；而如果血糖含量特別高，可能就意味著有糖尿病。但想要通過這些數據達到準確診斷疾病的目的，就必須進一步驗證汗液讀數與疾病之間的相關性。為了證明這套設備的臨床價值，研究團隊進行了人類受試者的測試。

在6名健康志願者和3名囊性纖維病患者中進行的測試中，健康受試者的平均氯和鈉濃度（基於25分鐘的感測器讀數）分別為21.2和26.7mM，而囊性纖維病患者的平均氯和鈉含量（基於25分鐘的感測器讀數）分別為95.7和82.3mM。

囊性纖維病患者和健康患者的診斷結果對比

為了評估設備非侵入性葡萄糖監測的實用性，研究人員又對空腹和攝入葡萄糖的受試者進行了實時汗液葡萄糖含量測量，並與使用市售血糖計測量的血糖結果進行對比。結果表明，禁食12小時和口服葡萄糖1小時後，7名受試人員的血糖和「汗糖」含量有6人均存在顯著相關。

此外，這款設備也能用來檢測汗液的其他分子成分，比如鉀離子和乳酸，用於其他病症的檢測和診斷。研究人員表示，未來的工作將會增加溫度、pH值和汗量感測器的整合，並考慮到個體之間的差異，以校準汗液中各種標誌物的測量值。

當然，一兩種疾病的診斷並不能代表這款設備的真正價值。研究人員正在開展大規模臨床研究，以進一步弄清汗液成分讀數與健康的相互關係。大規模的臨床研究和大數據分析，將有助於建立汗液中各種成分測量值與個體生理狀態之間的關係，從而為適用於一般人員的基於汗液的無創診斷方法鋪平道路。

目前的這款設備，可以通過APP交互界面、電子郵件、短消息服務對結果進行展示，通過雲服務對數據進行進一步分析和挖掘。研究團隊則希望未來能把這個設備整合進智能手錶中，以方便用戶使用，從而實現廣泛的人口監測[6]。

「不僅能用於疾病診斷，還可以用於藥物研發。」加州大學洛杉磯分校Emaminejad教授說[7]，「想像一下，如果在臨床藥物調查中使用可穿戴的汗液感測器，我們就可以更方便地了解用藥後的生理變化。」

[1] http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7587/full/nature16521.html

[2] http://www.pnas.org/content/114/18/4625.full

[3] Bandodkar AJ, Jeerapan I, Wang J (2016) Wearable chemical sensors: Present challenges and future prospects. ACS Sens. 1:464–482

[4] Farrell PM, et al. (2017) Diagnosis of cystic fibrosis: Consensus guidelines from the Cystic Fibrosis Foundation. J Pediatr 181S:S4–S15, 15.e1

[5] http://wearable.ofweek.com/2016-12/ART-8140-5004-30080193.html

[6] http://med.stanford.edu/news/all-news/2017/04/wearable-sweat-sensor-can-diagnose-cystic-fibrosis.html

[7] http://www.mobihealthnews.com/content/stanford-and-uc-berkeley-researchers-develop-wearable-sweat-sensor-diagnostic-tool