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從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng),生命傳感器的跨界應用
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2018/8/10

  2016年初,美國研究人員發(fā)現(xiàn)了一只可以聞出甲狀腺癌的德國牧羊犬。這只名叫弗朗姬的牧羊犬被訓練成聞到甲狀腺樣本時會躺下,而當樣本正常時則會走開,研究人員對34名患者進行檢測時,成功率達到了88%。


  88%的成功率,這是一個什么概念?通常甲狀腺癌的檢測和診斷需要專業(yè)的儀器和復雜的生化檢驗過程,目前是通過檢測人體血液中的激素水平和提取細胞來進行診斷,檢測周期至少需要一天,若需要細胞培養(yǎng)或者通過DNA測序進行診斷的,則需要長達數(shù)周的時間。


  多年前曾有這樣一本英文書,書名叫《我在雨中等你》,是美國作家加思·斯坦創(chuàng)作的一本通俗小說。書里講述了一只擁有人類靈魂的狗狗和他賽車手主人的故事。書里的狗聞到了男主人老婆的腦瘤疾病,而書里描述的醫(yī)院和醫(yī)生都無法提前診斷出女主人的毛病。由此看來,狗能聞出癌癥的故事都已經是文學作品里的素材了。除了甲狀腺癌和腦癌,狗還能聞出哪些癌癥呢?


  1989年,英國倫敦的兩位皮膚病學家在著名的醫(yī)學雜志《柳葉刀》上描述過,一名44歲女性患者的狗狗發(fā)現(xiàn)了女主人腿上的一顆痣是惡性黑色素瘤(一種致命性的皮膚癌),原因是她的狗總是湊到她的腿上聞這顆痣并試圖咬掉它。直到這位女主人不勝其煩找到皮膚科大夫將這顆痣切除以后才檢查出來這是一顆惡性腫瘤。



  2003年,研究人員發(fā)現(xiàn)狗可以從患者的呼吸中聞出腫瘤和乳腺癌。2004年,英國白金漢郡醫(yī)院使用生物檢測手段發(fā)現(xiàn)狗可以從患者的尿液中聞出膀胱癌。2011年,《英國腸胃病學會志》上刊登的一篇研究文章表明,一只經過特殊訓練的8歲大拉布拉多尋回犬可以從人的呼吸中聞出人類是否患有結腸直腸癌,成功率達到91%。


  德國的研究人員在《歐洲呼吸雜志》上發(fā)表報告說,嗅癌犬能辨別肺癌,準確率超過70%。這里提到的“嗅癌犬”,包括德國牧羊犬、澳大利亞牧羊犬和拉布拉多犬。顯然,狗不僅能夠聞出甲狀腺癌,還能聞出皮膚癌、乳腺癌、結腸直腸癌等其他的癌癥疾病。很遺憾的是,狗不能告訴我們癌癥究竟是什么味道的。


  除了狗能夠聞出疾病,還有其他的動物有這樣的能力嗎?


  在費城,科學家們訓練出一批老鼠來識別肺癌的味道,原理和哺乳動物靈敏的嗅覺有關。昆蟲也可以聞出疾病,世界上只有四個實驗室在進行昆蟲診斷疾病的實驗。


  蜜蜂可以聞到房間里極其微弱的氣味,科學家已經證實蜜蜂的這種能力可以用來診斷肺結核和糖尿病等多種疾病。英國產品設計師Suana Soares設計了一種簡單的用蜜蜂來診斷疾病的裝備,稱為Bee’s。這些疾病包括像肺癌和卵巢癌這樣的癌癥。這種設備的原理是在一個大的容器中間有一個相互連接的大小容器,病人向容器中吹氣,里面的蜜蜂會根據(jù)病人呼出的氣體發(fā)出某種警告。蜜蜂已經經過訓練能將糖和疾病相關的化學氣味聯(lián)系起來并發(fā)出警告信號。最終這種Bee's設備在實際應用中只能測出糖尿病。


  通過訓練動物和昆蟲來診斷疾病的臨床應用,這里有兩個門檻:一個是準確率,另一個是訓練成本和周期。為了解決這兩個門檻,科學家們開始了“電子鼻”的研究。


  早在二十世紀六十年代,Wilkens和Hatman兩位科學家已經開始利用氣體在電極上的氧化還原反應原理開始了“電子鼻”的研究。1965年,Dravieks等利用接觸電勢的變化實現(xiàn)了“電子鼻”對氣體的測量。1987年,Gardner等研發(fā)了能測量氣體的傳感器,提出了“模式識別”的概念,為“電子鼻”奠定了理論基礎。1993年,Pearce等人把傳感器應用在啤酒檢測上。1994年,Gardner等發(fā)表了關于“電子鼻”的綜述性文章,正式提出“電子鼻”的概念。2005年,英國的科學家發(fā)明了一種能夠聞出感染了抗藥性極強的“超級細菌”患者的“電子鼻”。這種電子鼻的體積大約有兩臺電腦顯示器大小,售價估計在6萬英鎊左右。2010年,以色列科學家研發(fā)出“電子鼻”,只要通過簡單的呼吸測試,就可以查出肺癌、乳腺癌、腸癌和前列腺癌。


  目前“電子鼻”已經廣泛用于工業(yè)生產的各個部門,如煙草業(yè)、化妝品、食品工業(yè)、石油化工、糧食貯存與加工、酒類和飲料、環(huán)保監(jiān)測、臨床診斷。此外,“電子鼻”還用于商檢、微生物鑒別、藥物分類與辨別、宇航等部門,以及檢查爆炸物品、槍支彈藥、毒品與其他違禁物品等。


  其實這種神奇的“電子鼻”,就是生物傳感器。隨著生物傳感器的不斷發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)也進入了老百姓的生活。


  關于生物傳感器我們在第二章中有詳細的介紹,不過多展開,但生物傳感器的應用范圍除了智能可穿戴設備也涉及醫(yī)療診斷、食品毒性檢測、農業(yè)檢測、工業(yè)過程控制和環(huán)境污染控制等方面。其中醫(yī)療診斷是目前最流行的應用領域,而醫(yī)療診斷中即時檢測(POCT)是生物傳感器應用最多的領域。


  根據(jù)2014年全球知名市場調研公司PMR(Persistence Market Research)發(fā)布的報告,2014年生物傳感器市場的市值為129億美金,預計到2020年將達到225億美金,復合年增長率(CAGR)為9.7%。其中北美是全球生物傳感器的最大市場,2014年市值57億美金,預計到2020年將達到95億美金。亞太地區(qū)由于醫(yī)療保險普及率的不斷擴大、人口基數(shù)大以及衛(wèi)生保健系統(tǒng)的不斷升級,將成為增長最快的地區(qū)。


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