导读
无线生物传感技术因其能够实时、连续地监测生理参数且不受有线连接的限制，已成为一项关键技术。本综述从无线生物传感器中物理和化学传感的基本机制出发，探讨了先进无线技术在能量收集和数据通信中的集成应用，包括射频技术、蓝牙及其他形式。此外，还涵盖了该技术在可穿戴和植入式生物传感器中的多种应用，如心脏监测、假肢增强、电子皮肤和隐形眼镜。特别关注新兴领域如骨表面电子设备和胃肠道胶囊传感器，这些代表了非侵入性和微创健康监测的重要进展。这些技术的协同整合为创新的诊断和治疗工具铺平了道路，承诺实现更好的患者结果和便捷的医疗解决方案。本综述旨在全面展示无线生物传感技术的现状及未来前景，强调其在多种生物传感器中实现的潜力。
图文摘要
01. 传感机制
图1. A. 无电池无线剂量计的示意图，展示了光电二极管、超级电容器和NFC模块的集成，用于传感和数据传输。下方数据展示了电压随时间的响应曲线以及传感器在不同身体部位的定位；B. 用于全身压力和温度监测的无电池无线传感器的示意图。系统包括嵌入PDMS中的温度和压力传感器；C. 用于无线汗液中钾离子分析的一体化腕带示意图。腕带配备多层传感器，包括离子-电子转换器和蓝牙模块，可实时将数据显示在移动设备上；D. 基于DNA水凝胶的无线无电池伤口感染传感器设计。该系统通过互指电极检测DNase导致的DNA水凝胶降解，并通过NFC进行数据传输。
图2. A、B和C：电容耦合、感应耦合和远场射频能量采集机制示意图；D：身体耦合纺织电子系统的示意图，展示了通过身体耦合电容进行的无线电力传输，用于传感和显示，与传统方法进行对比，突出集成了传感和显示纤维，并采用介电层实现电容耦合；E：利用感应耦合进行能量采集的LC共振化学传感器示意图。该系统通过耦合单元采集交流电力，LC电路调节电容变化，并通过矢量网络分析仪（VNA）检测；F：用于能量采集和伤口监测的无线智能创口贴系统示意图。射频采集的电压通过在13.56 MHz频率下共振的天线优化。数据图展示了天线阻抗和相位随频率变化、采集的电压以及天线-读取器距离的相对ADC值；G：无线无电池皮下植入光度计系统的布局。该设备通过13.56 MHz的磁共振耦合进行能量采集，并集成电源和数据传输模块，用于慢性神经记录；H：表皮远场射频能量采集系统的结构和实施。该系统配备了环形天线、匹配器和电压倍增器，位于柔性基板上，实现无线电力传输到集成LED。
02. 能量采集
图3. A：利用超声能量采集的无线神经记录系统示意图，详细说明了超声能量的流动及其转化为电能用于神经记录。信号的时间追踪展示了该系统的反向散射机制用于数据传输；B：该系统包括一个外部超声换能器用于发电，整流电路和能量管理模块，用于高效能量采集和无线通信；C：由人体运动驱动的可穿戴汗液传感器系统示意图。独立的摩擦电纳米发电机（FTENG）通过滑动运动高效采集能量，实现生物传感数据的无线传输，用于实时健康监测；D：集成到可穿戴电子设备中的纺织磁弹性发电机（MEG）用于生物机械能量采集。该MEG展示了可靠的压力敏感性，在压力变化时产生电信号，并在出汗和水下环境中保持功能，如脉搏波形图和电流-压力响应所示；E：基于汗液驱动的电子皮肤示意图，用于实时健康监测。乳酸生物燃料电池从汗液中采集能量，实现代谢数据的无线传输到移动界面。图示展示了促进高效能量转换的酶反应和基于纳米材料的电极改性；F：一款由柔性钙钛矿太阳能电池（FPSC）驱动的自主可穿戴生物传感器，用于持续的无电池健康监测。该设备利用环境光（包括阳光和室内光）为生物传感器供电，生物传感器无线传输实时生理数据，如葡萄糖、pH、体温和汗液速率，至移动应用程序进行健康追踪。
03. 无线通信
图4. A（左）：传感器在人体手腕上的照片，用于感测脉搏。 (右) 简化电路图的射频识别（RFID）系统仿真图；B：电化学传感器读数的照片和示意图，展示了一个嵌入传感器的微流控贴片和无电池NFC电子设备。图像放大了NFC电子设备与微流控贴片的可逆磁性附着，以及完整系统展示在手掌上的效果；C：带和不带LED的柔性毫米级NFC设备的示意图和图像，以及设备被镊子从一端夹持的照片；D：磁性植入物与完全集成的可穿戴设备之间双向无线通信的示意图，附带数据采集和处理在移动终端上的示例图。放大版示意图展示了可穿戴设备，并提供了完全集成的可穿戴设备无线驱动与传感电路的框图。
图5. A：展示了使用可穿戴适配体场效应晶体管（aptamer-FET）传感系统进行非侵入性皮质醇生物标志物监测的插图。ACTH，促肾上腺皮质激素；CRH，促肾上腺皮质激素释放激素。该传感系统展示了通过适配体场效应晶体管（FET）分析唾液和汗液样本的过程，并配有一款支持aptamer-FET生物传感的智能手表照片以及适配体-FET传感器检测皮质醇的示意图；B：（上图）示意图展示了一个软性可穿戴贴片，应用于糖尿病足部的慢性非愈合感染性伤口。该贴片由多个层次组成，包括软性和可伸缩的聚[苯乙烯-苯乙烯-乙烯-共-丁烯-苯乙烯]（SEBS）基底、定制的电化学生物传感器阵列、一对电压调制电极用于控制药物释放和电刺激，及抗炎和抗菌药物载电活性水凝胶层。（下图）完整集成的小型化无线可穿戴贴片的示意图和照片，带有1厘米的刻度条。展示了完整集成的可穿戴贴片，应用于糖尿病大鼠的开放性伤口，2厘米刻度条，包含ADC、模拟前端（AFE）、可编程片上系统（PSoC）、多路复用器（MUX）、BLE；C：示意图展示了两种典型的丝状设计：（左图）用于小鼠深脑rStO2监测的双层设计；（右图）用于其他组织区域高度局部化rStO2监测的单层设计；D：照片展示了集成的无线无电池血氧仪在工作模式下的操作，配有发光m-ILEDs，并附有电气工作原理的框图。LDO：低压差调节器；AGC：自动增益控制；Supercap：超级电容器。
04. 应用概述
图6. A（上图）：软性柔性心脏传感器示意图，标示了电子、粘合剂和水凝胶层。设备采集的数据通过NFC无线传输到智能手机，用于可视化记录的心率数据和实时心电图（ECG）波形。智能手机随后通过Wi-Fi或移动数据将这些信息传输到云服务器。（下图）软性可穿戴听诊器示意图，展示了远程监测架构和心脏及肺部听诊数据的实时图表；B：皮肤-义肢传感器界面示意图，其中无线、无电池的多模态传感器嵌入在残肢上，义肢插座的外表面上配有NFC/低功耗蓝牙（BLE）模块；C：致病性感染诊断系统（PIDS）示意图，所采集的健康数据可以通过NFC启用的智能手机进行传输；D：射频发射器和调制检测电路系统，涉及血流检测设备的记录机制。
图7. A：骨表面电子界面示意图，包括一个外部NFC读取器，提供电力并启用无线通信。植入系统包括用于主动电源管理、操作控制、模拟前端（AFE）和生物界面的组件；B：使用智能隐形眼镜进行泪液葡萄糖（TG）监测系统示意图，通过智能手机无线传输数据；C：带有无线皮质醇免疫传感功能的智能隐形眼镜视觉图；D：无线可吞咽胶囊传感器的示意图，接收模块包括射频接收器、微控制器、电源和PC用户界面。
本文亮点
探讨无线生物传感技术在实现连续健康监测方面的新兴能力。
展示无线传感平台中能量采集和无缝数据传输技术的最新进展。
剖析无线生物传感器在精准医学和即时诊断领域的多样化应用。
作者：赵月棠
审核：方 俊
END
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00041-3
引用格式
Xu, Z., Hao, Y., Luo, A. et al. Technologies and applications in wireless biosensors for real-time health monitoring. Med-X 2, 24 (2024). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00041-3
作者简介
徐梓桐，美国宾夕法尼亚大学生物工程专业硕士研究生，师从蒋圆闻教授。2023年，本科毕业于香港城市大学生物医学工程系，她目前的研究方向是用于健康监测与治疗的可穿戴设备。
蒋圆闻，美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系，助理教授。蒋博士长期从事关于生物界面材料及器件研究，过往研究以第一或共同一作发表在Science, Nature，Nature Materials, Nature Biomedical Engineering，Science Advances，Nature Communications等国际知名期刊，并曾获得多项奖项，包括Baxter青年学者奖，IUPAC-SOLVAY青年化学家奖，ACS无机部青年学者奖等。
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Med-X 期刊发文聚焦生物医学工程领域，包括但不限于以下10个前沿专题：分子与细胞工程，生物材料与组织工程，药物、基因和细胞输送系统，免疫工程，生物力学与机械生物学，生物热科学与工程，生物医学仪器与生物传感器，医学机器人、人工智能和远程医疗，生物医学影像学，生物信息学和计算生物学等。
