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从互联网到物联网,生命传感器的跨界应用

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OFweek传感器网讯 2015年初,美国研究人员发现了一只可以闻出甲状腺癌的德国牧羊犬。这只名叫弗朗姬的牧羊犬被训练成闻到甲状腺样本时会躺下,而当样本正常时则会走开,研究人员对34名患者进行检测时,成功率达到了88%。

88%的成功率,这是一个什么概念?通常甲状腺癌的检测和诊断需要专业的仪器和复杂的生化检验过程,目前是通过检测人体血液中的激素水平和提取细胞来进行诊断,检测周期至少需要一天,若需要细胞培养或者通过DNA测序进行诊断的,则需要长达数周的时间。

多年前曾有这样一本英文书,书名叫《我在雨中等你》,是美国作家加思·斯坦创作的一本通俗小说。书里讲述了一只拥有人类灵魂的狗狗和他赛车手主人的故事。书里的狗闻到了男主人老婆的脑瘤疾病,而书里描述的医院和医生都无法提前诊断出女主人的毛病。由此看来,狗能闻出癌症的故事都已经是文学作品里的素材了。除了甲状腺癌和脑癌,狗还能闻出哪些癌症呢?

1989年,英国伦敦的两位皮肤病学家在著名的医学杂志《柳叶刀》上描述过,一名44岁女性患者的狗狗发现了女主人腿上的一颗痣是恶性黑色素瘤(一种致命性的皮肤癌),原因是她的狗总是凑到她的腿上闻这颗痣并试图咬掉它。直到这位女主人不胜其烦找到皮肤科大夫将这颗痣切除以后才检查出来这是一颗恶性肿瘤。

从互联网到物联网,生命传感器的跨界应用

2003年,研究人员发现狗可以从患者的呼吸中闻出肿瘤和乳腺癌。2004年,英国白金汉郡医院使用生物检测手段发现狗可以从患者的尿液中闻出膀胱癌。2011年,《英国肠胃病学会志》上刊登的一篇研究文章表明,一只经过特殊训练的8岁大拉布拉多寻回犬可以从人的呼吸中闻出人类是否患有结肠直肠癌,成功率达到91%。

德国的研究人员在《欧洲呼吸杂志》上发表报告说,嗅癌犬能辨别肺癌,准确率超过70%。这里提到的“嗅癌犬”,包括德国牧羊犬、澳大利亚牧羊犬和拉布拉多犬。显然,狗不仅能够闻出甲状腺癌,还能闻出皮肤癌、乳腺癌、结肠直肠癌等其他的癌症疾病。很遗憾的是,狗不能告诉我们癌症究竟是什么味道的。

除了狗能够闻出疾病,还有其他的动物有这样的能力吗?

在费城,科学家们训练出一批老鼠来识别肺癌的味道,原理和哺乳动物灵敏的嗅觉有关。昆虫也可以闻出疾病,世界上只有四个实验室在进行昆虫诊断疾病的实验。

蜜蜂可以闻到房间里极其微弱的气味,科学家已经证实蜜蜂的这种能力可以用来诊断肺结核和糖尿病等多种疾病。英国产品设计师Suana Soares设计了一种简单的用蜜蜂来诊断疾病的装备,称为Bee’s。这些疾病包括像肺癌和卵巢癌这样的癌症。这种设备的原理是在一个大的容器中间有一个相互连接的大小容器,病人向容器中吹气,里面的蜜蜂会根据病人呼出的气体发出某种警告。蜜蜂已经经过训练能将糖和疾病相关的化学气味联系起来并发出警告信号。最终这种Bee’s设备在实际应用中只能测出糖尿病。

通过训练动物和昆虫来诊断疾病的临床应用,这里有两个门槛:一个是准确率,另一个是训练成本和周期。为了解决这两个门槛,科学家们开始了“电子鼻”的研究。

早在二十世纪六十年代,Wilkens和Hatman两位科学家已经开始利用气体在电极上的氧化还原反应原理开始了“电子鼻”的研究。1965年,Dravieks等利用接触电势的变化实现了“电子鼻”对气体的测量。1987年,Gardner等研发了能测量气体的传感器,提出了“模式识别”的概念,为“电子鼻”奠定了理论基础。1993年,Pearce等人把传感器应用在啤酒检测上。1994年,Gardner等发表了关于“电子鼻”的综述性文章,正式提出“电子鼻”的概念。2005年,英国的科学家发明了一种能够闻出感染了抗药性极强的“超级细菌”患者的“电子鼻”。这种电子鼻的体积大约有两台电脑显示器大小,售价估计在6万英镑左右。2010年,以色列科学家研发出“电子鼻”,只要通过简单的呼吸测试,就可以查出肺癌、乳腺癌、肠癌和前列腺癌。

目前“电子鼻”已经广泛用于工业生产的各个部门,如烟草业、化妆品、食品工业、石油化工、粮食贮存与加工、酒类和饮料、环保监测、临床诊断。此外,“电子鼻”还用于商检、微生物鉴别、药物分类与辨别、宇航等部门,以及检查爆炸物品、枪支弹药、毒品与其他违禁物品等。

其实这种神奇的“电子鼻”,就是生物传感器。随着生物传感器的不断发展,物联网也进入了老百姓的生活。

关于生物传感器我们在第二章中有详细的介绍,不过多展开,但生物传感器的应用范围除了智能可穿戴设备也涉及医疗诊断、食品毒性检测、农业检测、工业过程控制和环境污染控制等方面。其中医疗诊断是目前最流行的应用领域,而医疗诊断中即时检测(POCT)是生物传感器应用最多的领域。

根据2014年全球知名市场调研公司PMR(Persistence Market Research)发布的报告,2014年生物传感器市场的市值为129亿美金,预计到2020年将达到225亿美金,复合年增长率(CAGR)为9.7%。其中北美是全球生物传感器的最大市场,2014年市值57亿美金,预计到2020年将达到95亿美金。亚太地区由于医疗保险普及率的不断扩大、人口基数大以及卫生保健系统的不断升级,将成为增长最快的地区。

目前参与全球生物传感器市场的包括雅培、西门子医疗、Nova Biomedical公司、拜耳、强生、美敦力、罗氏等企业。想想国内企业在生物传感器研发上面已经落后了许多,也许在服务应用层面上能通过互联网产业的推动实现“弯道超车”。

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