通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的智能材料，智能可穿戴傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的疾病診斷、個(gè)性化治療和持續(xù)的健康監(jiān)測(cè)，而不會(huì)擾亂日常生活。這種集成促進(jìn)了從傳統(tǒng)的以醫(yī)院為中心的醫(yī)療保健向更加分散的以患者為中心的模式的轉(zhuǎn)變，在這種模式下，可穿戴傳感器可以收集實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)流進(jìn)行深入分析，并為即時(shí)診斷和個(gè)性化治療生成可操作的見(jiàn)解。盡管智能材料、機(jī)器學(xué)習(xí)和可穿戴傳感技術(shù)發(fā)展迅速，但缺乏系統(tǒng)地研究這些領(lǐng)域交叉點(diǎn)的全面綜述。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，奧斯陸城市大學(xué)（Oslo Metropolitan University）和新加坡國(guó)立大學(xué)（National University of Singapore）聯(lián)合在Advanced Materials期刊上發(fā)表了題為“Transforming Healthcare: Intelligent Wearable Sensors Empowered by Smart Materials and Artificial Intelligence”的綜述文章。該綜述對(duì)智能先進(jìn)材料和人工智能（AI）賦能的可穿戴傳感技術(shù)進(jìn)行了批判性分析。首先研究了增強(qiáng)傳感器功能的先進(jìn)智能材料，包括自修復(fù)材料、超構(gòu)材料和響應(yīng)材料，討論了集成到可穿戴設(shè)備中的先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)方法，并強(qiáng)調(diào)了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)應(yīng)用中的作用。然后還研究了由智能材料和機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的可穿戴傳感器的綜合影響，以及它們?cè)谥悄茉\斷和治療中的應(yīng)用。最后討論了現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，包括技術(shù)和合規(guī)問(wèn)題、信息安全問(wèn)題和監(jiān)管考量，并提出了推進(jìn)智慧醫(yī)療的未來(lái)方向。
用于智能醫(yī)療保健的智能材料和機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)型可穿戴傳感器
I 可穿戴傳感器中的智能材料
盡管配置因應(yīng)用而異，但可穿戴傳感器中使用的材料通常由傳感材料、導(dǎo)電材料和襯底材料組成。利用智能材料構(gòu)建這些層可以為可穿戴傳感器提供獨(dú)特的功能和增強(qiáng)的性能，例如在損壞、退化或變形后根據(jù)需要進(jìn)行自我修復(fù)，以及選擇性目標(biāo)傳感。柔性傳感器常用的智能材料包括自修復(fù)材料、超構(gòu)材料、響應(yīng)傳感材料、可生物降解材料和形狀變形材料。
可生物降解材料主要用于可植入傳感器，其中生物相容性和可控降解對(duì)于臨時(shí)醫(yī)療監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。由于持續(xù)外部使用所需的耐用性、機(jī)械魯棒性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)，它們?cè)诳纱┐鱾鞲衅髦械淖饔糜邢蕖Ｐ螤钭冃尾牧希缧螤钣洃浘酆衔锖退z，更多地應(yīng)用于軟機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)植入物和可重構(gòu)設(shè)備，而不是可穿戴傳感器。由于材料響應(yīng)性、集成復(fù)雜性和長(zhǎng)期機(jī)械穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)，它們與可穿戴電子設(shè)備的集成仍然相對(duì)不常見(jiàn)。由于本綜述主要關(guān)注可穿戴傳感器，可生物降解材料和形狀變形材料在可穿戴應(yīng)用中的使用有限，因此僅簡(jiǎn)要討論了它們。因此，本綜述重點(diǎn)介紹了自修復(fù)材料、超構(gòu)材料和響應(yīng)傳感材料，這些材料在提高可穿戴傳感器的性能、適應(yīng)性和耐用性方面發(fā)揮著更重要的作用。
智能材料包括自修復(fù)材料、超構(gòu)材料和響應(yīng)材料
II 可穿戴傳感器中的機(jī)器學(xué)習(xí)
可穿戴傳感器可以獲取與患者健康狀況相關(guān)的連續(xù)高分辨率多參數(shù)數(shù)據(jù)。然而，這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)可能由多變量、非線性的生理模式組成，難以用傳統(tǒng)的處理方法識(shí)別。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)——被定義為一種能夠通過(guò)從原始數(shù)據(jù)中提取獨(dú)特或所需特征來(lái)獲取知識(shí)的計(jì)算機(jī)程序——已被集成到可穿戴傳感器技術(shù)中。這使得能夠準(zhǔn)確解釋可穿戴傳感器收集的數(shù)據(jù)，使用戶和臨床醫(yī)生可以方便有效地調(diào)整治療或采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。機(jī)器學(xué)習(xí)在推進(jìn)可穿戴技術(shù)的各種應(yīng)用方面已經(jīng)顯示出巨大的前景，包括診斷和預(yù)測(cè)疾病，以及監(jiān)測(cè)和評(píng)估運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。
機(jī)器學(xué)習(xí)大致可以分為三種類型：無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)，每種類型在增強(qiáng)智能可穿戴醫(yī)療傳感器的功能方面都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。與監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)相比，由于一些挑戰(zhàn)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)在可穿戴傳感器中的應(yīng)用較少。這些挑戰(zhàn)包括高計(jì)算需求、訓(xùn)練時(shí)對(duì)大量交互數(shù)據(jù)的需求、實(shí)時(shí)處理限制以及醫(yī)療應(yīng)用中的安全問(wèn)題。目前，監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)在可穿戴傳感器數(shù)據(jù)分析中發(fā)揮著更為主導(dǎo)的作用，該綜述主要關(guān)注了它們的應(yīng)用。研究人員總結(jié)了可穿戴傳感器領(lǐng)域中報(bào)道的幾種關(guān)鍵處理技術(shù)。
機(jī)器學(xué)習(xí)算法示意圖
III 基于智能材料和機(jī)器學(xué)習(xí)的智能可穿戴醫(yī)療傳感器
可穿戴傳感器可以無(wú)創(chuàng)/微創(chuàng)地佩戴在身體上，以監(jiān)測(cè)和收集各種生理指標(biāo)。它們將這些指標(biāo)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)，然后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)、智能手機(jī)和手表等外部設(shè)備，進(jìn)行記錄、處理和顯示。這些傳感器在智能醫(yī)療中作為感知單元和數(shù)據(jù)抓取器，無(wú)縫地結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)輔助決策。根據(jù)其工作機(jī)制，可穿戴傳感器可分為幾種類型：生化傳感器、生物電傳感器、生物力學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、熱傳感器和其它類型傳感器。
智能生物電勢(shì)傳感器
智能機(jī)電傳感器和熱傳感器
智能生化傳感器
IV 基于機(jī)器學(xué)習(xí)和智能材料的可穿戴傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
智能材料和機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)的可穿戴傳感器可以滿足廣泛的用戶需求，包括健康個(gè)體、高危或慢性患者，以及在康復(fù)中心和公共衛(wèi)生組織提供專業(yè)服務(wù)的醫(yī)療保健專業(yè)人員。它們能夠早期發(fā)現(xiàn)疾病風(fēng)險(xiǎn)，持續(xù)監(jiān)測(cè)生物標(biāo)志物，更深入地了解個(gè)體健康狀況，從而制定更精確和個(gè)性化的預(yù)防和治療策略。可穿戴傳感器尤其有助于提供智能預(yù)防保健，改善慢性病管理，智能醫(yī)學(xué)和智能康復(fù)，顯著改善了醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量，并能夠根據(jù)個(gè)人需求開(kāi)展實(shí)時(shí)的、以患者為中心的干預(yù)措施。
通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和可穿戴傳感器實(shí)現(xiàn)智能醫(yī)療保健
盡管已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但由智能材料和機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的智能可穿戴傳感系統(tǒng)仍然需要應(yīng)對(duì)許多挑戰(zhàn)和限制，以充分發(fā)揮其潛力。為了讓健康和醫(yī)療保健領(lǐng)域的個(gè)人（例如醫(yī)療保健專業(yè)人員和患者）成功采用，必須重點(diǎn)關(guān)注其可用性設(shè)計(jì)、友好界面、數(shù)據(jù)完整性、臨床準(zhǔn)備、與臨床需求的一致性、可負(fù)擔(dān)性以及與現(xiàn)有醫(yī)療系統(tǒng)的整合。關(guān)鍵考量因素包括解決數(shù)據(jù)隱私和安全問(wèn)題，克服可穿戴傳感器的技術(shù)限制，例如準(zhǔn)確性和可靠性，滿足用戶需求，培養(yǎng)動(dòng)力和合規(guī)性，以及應(yīng)對(duì)監(jiān)管和道德挑戰(zhàn)。必須謹(jǐn)慎管理這些因素，以確保有效實(shí)施。
雖然這些挑戰(zhàn)和限制構(gòu)成了重大障礙，但它們也為正在進(jìn)行的研究、創(chuàng)新和合作開(kāi)辟了道路。隨著技術(shù)的進(jìn)步和利益相關(guān)者合作解決這些問(wèn)題，智能可穿戴傳感器具有巨大的潛力，可以徹底改變醫(yī)療保健，為更個(gè)性化、更積極的疾病管理方法和改善整體健康狀況鋪平道路。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202500412
