医疗感测器愈来愈神奇,未来你将吞数位药丸、被植入晶片⋯⋯

从 IT 到医疗,感测器的应用高速进展,电影里的异想世界成为现实,不过是早晚的事。 本文分享 3 个医疗感测器应用实例,生医世界,进步比你想像得快!

今年是 2017 年,人类生活形态已经改变了 10 年。10 年前一个伟大的产品正式问世,没错!就是第一代 iPhone,除了让网路带着走之外,另一个创举就是以触控面板改变了人类与机器互动的模式。

血糖感测器再进化
持续性监控掌握血糖变化

就技术架构角度,触控面板之所以可以动作,是因为搭载了触控感测器(touch sensor)。而所谓的感测器,意指「能将待测物理量或化学量转换成另一对应可记录的输出装置」,可用以接收信号,或透过变化量制动反应,应用功能主要为用来替代人类的感官,进而检测外界讯息,包含视、听、触、嗅、味觉等。部分感测器还可侦测人类无法判断的讯息,如地磁、方位、超音波、紫外线等,搭配不同的控制晶片,应用相当广泛。

回头再看第一代 iPhone,上面搭载的感测器大概就只有 200 万画素的影像感测器(CMOS image sensor,CIS)和触控感测器两颗。目前最新的 iPhone 7,1,200 万画素与 700 万画素的 CIS、指纹辨识器、触控感测器、气压感应器、重力感测器、三轴陀螺仪、加速感应器、接近感应器、环境光度感应器、磁感测器、辅助式全球定位系统、全球导航卫星系统、霍尔感测器等至少 14 颗感测器。

就 iPhone 的例子,每一颗感测器都代表至少一种不同的功能应用,也代表着这 10 年间人类利用搭载感测器的装置、机器,可以延伸的应用愈来愈多,而医疗相关领域也正如火如荼发展中。

胰脏的功能是分泌胰岛素以控制血液中的葡萄糖浓度。所谓的第一型糖尿病患者,其胰脏无法产生胰岛素,如果血糖过低,病人会晕倒;如果过高,会对眼睛、神经和动脉造成长期的危险。所以患有这种疾病的人必须每天刺穿手指检查血糖,根据计画的膳食和运动进行计算,并调整注射胰岛素。上述的血糖侦测动作,对一般人的日常生活显然是一个负担。许多人甚至担心,在晚上睡眠期间,若无法得知血糖浓度,患者就无法及时醒来处理低血糖,可能导致可怕的后果。

医疗感测器愈来愈神奇,未来你将吞数位药丸、被植入晶片⋯⋯

传统的「指血检测」最大的缺点之一,就是检测与检测中间的血糖变化是无法得知的。而连续式血糖监测器就是为了解决这个问题,它可在血糖出现异常时即时发出警讯,近几年最成功的当属 Dexcom 的连续性血糖监测系统 G5。

Dexcom 成立于 1999 年,主攻连续性血糖监测器市场,2012 年 10 月经美国食品暨药物管理局(FDA)批准上市的第 4 代连续血糖监测器 G4 Platinum,可对应如 iPhone、iPod、iWatch 等行动装置,已是美国最受欢迎的连续血糖监测器。

G5 则是更先进的版本,与 G4 最大的差别是,可利用蓝牙无线传输,将监测数据直接上传到智慧型手机等行动装置,提高使用者便利性。另外,Dexcom 所设计的 App 应用程式,除了适用患者本身安装,也有提供给医师与家属安装的版本,得以进一步确保患者的血糖与健康状况。2016 年 12 月 FDA 核准 G5 上市,G5 并于今年 3 月获得联邦医疗保险(Medicare)纳入给付资格,可望造福更多糖尿病患者。

Dexcom 的 G5 监测系统包含了一个小型血糖感测器与接受器,再透过智慧型手机或平板电脑显示与统计相关资料。患者仅须将感测器插入皮肤,植入过程无痛也无血,即使洗澡也能配戴;Dexcom 每隔 5 分钟即可测一次组织间液的血糖数据,一天可测试 288 次血糖数据,并透过无线传输到接受器与智慧型手机等装置。根据测量数据,监测器内建的演算法将帮助病患做出医疗决策,注射适量的胰岛素,以维持血糖正常浓度。

吞下一颗感测器药丸
就能追蹤病患的用药状况

要让精神分裂症疾病的病患吃药是一件困难的事!不过,现在有新的发明可以协助追蹤病患是否準时吃药。根据一项统计研究,74% 患有严重精神疾病的病患,在服药 18 个月后就会停止服药,所以用药的依从性(medication adherence)对这群病患是特别严重的问题。

如何了解病患用药的依从性?只要在病患的手臂上,贴一块像 OK 绷大小、装有感测器的贴布,就可以追蹤病患是否正常服药。侦测讯息的道理很简单,只要吞下藏有小小晶片的药丸,晶片的两端分别加上了镁和铜,一旦进入人体的胃,接触到胃酸之后,两种金属就会产生小的电压,贴在手臂上的贴布就可侦测讯号,并传送到手机应用程式,进而将信息传给病患家属或是医师。

日本大冢药厂和美国加州的 Proteus Digital Health 合作,将治疗精神疾病的畅销药 Abilify,装上具感测功能的晶片。

由于大冢的精神疾病用药 Abilify 和 Proteus 可消化的晶片已通过 FDA 核准,现在双方将晶片装在 Abilify 药丸上,也就是新世代的数位药丸(digital medicine),希望获得 FDA 核准上市。不过,FDA 还需要更多的临床数据才会核准药证。

据了解,2013 年 Abilify 是美国销售第一名的药物,但 2015 年专利到期后,销售直线下滑,大冢药厂希望以其他方式提升销售额,数位药丸正是一个好方法。

其实,数位药丸的发展不只能了解病患服药依从性的问题,其中有许多待开发的大数据,可进一步了解药物应用与研发;因此,大药厂不愿缺席,而目前诺华大药厂和国际通讯大厂高通,也共同投资 10 亿美元展开研发。

神经尘微小如沙粒
目标:植入人脑蒐集数据

2016 年夏天,美国加州大学柏克莱分校的研究团队在神经科学期刊《Neuron》发表研究,他们研发出一种名为「神经尘」(neural dust)的感测器,大小只有 1 立方毫米、如同沙粒,已成功植入实验鼠的肌肉和神经。

这颗神奇的感测器,可植入人体蒐集数据并刺激神经,同时拥有无线充电功能,藉着感测器内的压电晶体,透过超音波供应电源回传身体器官的监测数据。这项技术目前可应用于周围神经系统,例如控制膀胱和抑制食慾等;终极目标则是植入脑部,做为脑机介面,进一步用于控制义肢等。当然,神经尘要进入人体还有一段路要走,若想达到终极目标植入脑部,更是难上加难;因为要将感测器植入脑部且保用 10 年、甚至一辈子,感测器至少要缩小到 50 微米,相当于一根头髮的宽度才行,目前仍是不可能的任务。

无疑的,这是体内即时监测数据的重大革命,想像中的蓝图早已存在,只是如何将极其微小的感测器植入人体深处,始终是罩门;如今,科学家已成功突破技术瓶颈,就等何时进入人体临床。

上述 3 个感测器案例,凸显科技与生医的加速融合,也颠覆了未来的医药生态;然而,在惊豔科学进步之余,或许该进一步深思,一旦产业生态改变,商业模式就会跟着变,而每一次的改变,总是危机与转机并存,无论是投资、职涯规画,甚至是对生命本质的省思,都是一次历练。

数位药丸目前或许差了临门一脚,然而一旦获准上市,就有机会扩散到其他慢性病,为人子女不用再担心长辈忘记吃药,医护人员也能追蹤患者用药状况……一个与物联网更深的连结生态正默默建构中。

因为科技加速融合,未来生技医疗或者大健康产业,一定会有重大改变,人才聚落也可能位移,值得读者细细思考与持续追蹤。不过,话又说回来,最新的 iPhone 7 搭载了 14 颗感测器,如果将来科技登峰造极,我们吃的、喝的、植入的感测器不知凡几?这又会是一个什幺样的疯狂异想世界!

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