精准医疗的新突破—智能人体传感器网络

因爱 2018-03-12 13:15:41

作者:漠雨


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今天我们来讲述精准医疗领域的一个新的突破,智能人体传感器网络。

文章内容来源于海银资本创始人,也是逻辑思维专栏作者-王煜全的“全球创新260讲”


人类医学的发展史,也是一部与病痛做斗争的历史,而发展过程中,许多观念发生了多次的变化。而最近一次的医学革命,就是精准医疗。

精准医疗简单来说,就是通过持续的获取病人的精确信息,从而制定个性化的治疗方案。

而持续获取精确信息,就需要做到实时监控,因此离不开一种工具—智能人体传感器。

医学发展至今,许多的疾病治疗方案其实并没有做到最优,原因就是离“精准”治疗还有很大的差距。

精准医疗的关键就在于个性化,也就是说,同样的感冒,不同的人的治疗方案都不同。因为每个人的实际情况是不同的,治疗方案也需要“对症下药”。然而目前常见疾病的治疗方案往往都缺乏个性化。

这主要是由几个原因导致的:

首先是制定治疗方案时信息不全

其次是很难在时间上做到精准


先来说说信息不全

就拿治疗高血压来说,目前主要是在问诊时测量一次血压,其实这是不够的,最好是能够提供近几个月来实时的血压变化情况给医生,才能确定更好的治疗方案。然而目前许多高血压患者无法提供这些信息。


再来说说时间上做到精准

人体的状况其实是会随着时间发生变化,而不是一直不变的。而许多的疾病的治疗和用药,如果能抓住某个最佳的时间点,治疗的效果会事半功倍。

可是目前大多数的药物,服用时间只是笼统的“饭前”“饭后”,无法做到时间上的精准。

所以如果要做到精准医疗,首先就需要病人更全面的信息,其次要能做到身体状况的实时监控。

而这两个条件都指向了一种新的技术——智能人体传感器。

智能人体传感器是指各种安装在个人体内或者体表的传感器的集合,包括体表的心率计,体内的血糖监测传感器等。

智能人体传感器能不间断的检测人体的各项指标,于是就能够在诊断时提供完整的身体信息,从而帮助医生做到精准诊断,同时又因为能够实时监控,因此可以在时间上做到及时干预,以最小的代价完成治疗。

这些由智能人体传感器构成的网络,对于医学的另一个巨大的推进,就是能够收集到海量的人体数据。

目前的循证医学主要是基于统计数据,再根据临床试验数据来确定治疗方案的有效性。

然而由于目前医疗数据基础设施的建设并不完善,一个临床试验往往只有一百人甚至几十人参与,导致试验结果的可靠性大打折扣。

而通过人体传感器网络的普及,那么数据收集就会容易得多,海量的病人数据样本将大大推进循证医学的发展。


人体传感器网络技术

人体传感器一般包括感知(采集)、数据收发(传递)、电池模块这几个部分。

感知模块是用来测量和采集人体的各项指标,而数据收发模块则是把采集到的数据发送到体外的处理器进行加工。电池则是为传感器提供能量。

还有一些特殊的传感器,还包括执行器等其它组成部件。例如抗癫痫的电极传感器,它就包含执行器,用来在癫痫发作时实现即时干预的。

感知模块根据测量原理的不同,也分为不同的类型。同样也决定了传感器的尺寸以及使用条件。

第一类是体外的身体参数传感器。

它是直接测量物理信号,包括体温,心率传感器等。

目前大多数的智能手环都是采用的这一类传感器。未来还会出现更多能够方便的采集脑电波、心电图等数据的传感器。

第二类是利用生物化学原理进行测量的传感器。

这类传感器主要是利用化学反应来测量人体的一些参数。

目前最有希望被大规模使用的就是血糖传感器,尤其是无创血糖传感器。它能够有效的避免传统血糖检测的不便,以及卫生安全问题。

目前比较成功的是通过在隐形眼镜中植入传感器,用来检测眼泪中的血糖浓度。还有一种通过测量红外线照射皮肤的反射以及测量人体电阻的变化这种物理方法来检测血糖的,不过精准度比眼泪测量要稍逊一筹。

还有一类很重要的传感器,就是监测运动数据的传感器。

这类传感器的技术基础其实已经比较成熟。它可以运用在病人的康复领域。

许多的病人在病症痊愈之后,身体需要一段时间的适量运动来恢复体能,尤其是复建。

目前的复建往往是根据医生的指导每天完成规定的运动量甚至是动作,但是医生无法对每天完成的质量进行评估和即时反馈,

因此运动传感器就可以对复建训练的完成状况进行监督和数据采集,并且发送给医生进行实时的反馈。


数据收发模块

一般使用无线电来作为传输数据的信道,不过目前有另一种“人体信道”正在得到越来越多的关注。

人体信道是通过芯片以特定方式让信号在人体皮肤浅表面传播。所以可以将多个芯片同时附着在人体表面,通过组成一个局域传感器网络,使得传感器之间能互相通讯。然后把信息汇总到中央节点后再使用无线信号传输到互联网。

使用人体信道的最大好处是能够避免不同用户之间的无线电干扰。

因为无线电传输的无线信号容易互相干扰,而人体信道传输的信号衰减也较小,能够大幅降低传感器的功耗,而且因为不需要使用天线,可以极大的减少传感器的尺寸。


电池模块

对于生物传感器来说,电池往往是困扰所有人的一个技术。为了实现便携性,对电池的尺寸和容量都有很高的要求。而如果要植入体内,还需要考虑电池的安全性。目前生物传感器电池的研究热点是如何实现无线充电。这样即使电池容量很小,也能在定期充电的方式下使用很长时间。


智能人体传感器未来的三大发展方向

低功耗   可靠性   安全性

对于智能传感器,尤其是需要植入人体的传感器,必须保证足够长的电池寿命,没有人愿意频繁的做手术更换电池。

传感器的功耗主要集中在感知采集模块和数据传输模块,所以需要从材料,电路设计,以及通信协议上做突破。而上面说的无线充电也是一种解决功耗问题的方法。

可靠性指的是,如何保证传感器在体内稳定的工作数年甚至数十年。学术界对于稳定性的研究其实并不擅长,他们更擅长提出概念并设计出展示模型。

而安全性,则是指传感器的数据采集和传递的安全性。尤其是文章开头介绍的带有执行器的传感器,一旦出现问题,往往能造成生命危险。

而且还需要考虑传感器被黑客入侵和控制的问题,这主要是取决于传输采用的通讯协议。安全性好的通讯协议,往往功耗比较大。所以安全性和功耗如何做到平衡,也是一个很重要的问题。

而目前有一种从系统上解决这个问题的可能性。

那就是先将传感器的数据通过局域网传给中心数据节点,因为是局域网传输,所以可以采用低功耗的通讯协议。并且设法将数据传输局限在人体范围内。就避免了黑客获取个人生物传感器的数据。

然后中心数据节点再接入互联网,采用安全性高的通讯协议,使用较高的功耗将数据传送到云端。

最后总结一下今天的内容

智能人体传感器网络将使精准医疗获得新的突破,它使得病人的个性化精准医疗成为可能,提高了治疗效果。

同时智能传感器网络能够给医学提供大数据,进一步促进医学的发展。

人体传感器网络将会是未来医学和健康管理领域的重大突破


今天的内容就到这里

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我们下一期见

       

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