製造と設計の改善により非侵襲性 人間のバイオマーカーを継続的に監視するセンサー——急速に進化する医療技術業界における技術開発により、フィットネスとヘルスケアに対する「画一的な」アプローチを置き換えることが可能になりました。開発者は、バイオマーカーセンシングを使用してカスタマイズされたソリューションを作成し、より個別化された生理機能のモニタリングを行うことができるようになりました。バイオマーカーは、病状や病気のリスク要因を判断するために使用される特定の生理学的指標です。これらは、治療の形で介入が必要となる可能性のある症状や疾患をより迅速に特定または確認するための重要なデータを個人とその医師に提供できます。
図1: ウェアラブル センサー。
医師は、がん、心臓病、またはこれまで検出できなかった糖尿病の兆候がある可能性のある患者を診断し、監視するために、バイオマーカーを日常的に使用しています。汗やその他の体液の変化を正確に測定する非侵襲性バイオマーカー センサーにより、フィットネス目標やヘルスケア管理に対して、よりパーソナライズされた (「患者中心」とも呼ばれる) アプローチが可能になります。特定のバイオマーカーを早期に検出することで、治療計画の有効性が向上し、有害事象による発生率や入院を減らすことができます。生命を脅かす病気を早期に発見すれば、命を救うことができる可能性があります。
人気のウェアラブル フィットネス デバイスは、歩数、心拍数、消費カロリーなどの指標を検出します。今日、生体認証パラメータの測定を超えて、体液中のバイオマーカーの測定まで行うウェアラブル デバイスへの関心が高まっています。血液、汗、唾液、その他の生体液は、医療現場における臨床分析に広く使用されています。体液によるバイオマーカーの継続的なモニタリングは痛みがなく非侵襲的であり、患者のコンプライアンスを保証するのに役立ちます。これらはすべて、慢性疾患のリスクがある人や慢性疾患を抱えている人にとって大きな利点であり、医師にとっても役立ちます。バイオマーカーの正確かつ非侵襲的な継続的モニタリングの実現は、ヘルスケアにとって大きな進歩を意味し、センサーデバイス開発者にとって大きな市場機会をもたらすことになります。
図2: バイオマーカーセンサーの概念。
汗のユニークな特性により、血液や他の生体液と比較して、非侵襲的な迅速な収集と検査が可能になります。研究者、スタートアップ企業、業界リーダーたちは、人間の汗に含まれるさまざまなバイオマーカーを測定できるセンサーの作成とテストを行うプロジェクトに積極的に取り組んでいます。いくつかのプロトタイプデバイスは、高感度カーボンナノチューブセンシングと薄くて柔軟なシリコンダイの製造における進歩を活用して、適度な進歩を達成しました。図1はバイオマーカー センサーの典型的な構成を示しています。
例えば、乳酸は汗中に存在する潜在的に重要なバイオマーカーであり、個人の疲労の始まりを示す可能性があり、入院患者の全死亡率のマーカーとして示されている。汗をベースとした血糖値モニタリングの開発も進んでおり、複数の薬剤を組み合わせた経皮薬物送達システムの可能性も秘めています。皮膚ベースのセンサーは、汗中の電解質、カルシウム、重金属イオンなど、他の代謝物の存在も検査できます。生物医学エンジニアと材料科学者の協力により、汗の分子組成内の複数のバイオマーカーを読み取り、そのデータをスマートフォンに送信してリアルタイムで分析および追跡できる、小型のウェアラブルフレキシブルセンサーが開発されました。バイオマーカー センサーの技術と製造の準備レベルの評価は、開発におけるギャップとリスクを特定するために重要です。汗やその他の体液に予想される濃度レベルでバイオマーカーを検出できる柔軟なセンサーの開発には多くの課題が存在します。バイオマーカーは、血液サンプル中よりも汗や唾液中に低濃度で存在します。適切な量と濃度のサンプルを収集する時間は、出力、周囲温度、その他の環境要因に応じて大きく異なります。ウェアラブルデバイスや使い捨てデバイス向けに、複雑な流体の読み取りにおいて一貫した選択性と感度を手頃な価格で提供することは、センサー開発者や製造業者にとって克服すべき大きな障害です。生体液サンプルは研究室で継続的に更新できます。マイクロ流体の進歩は有望ではあるものの、現実世界の被験者は、平衡を維持するのに十分な速度で汗を補給するには不十分であることを証明しました。一例として、センサーの選択性、感度、安定性、信頼性が重要な汗モニタリングのケースが挙げられます。
使い捨てバイオマーカー センサーは通常、特定のバイオマーカーの受容体として機能する化合物を使用して機能化され、その化学受容がセンサー上の可変抵抗負荷に変換されます。ウェアラブルな使い捨てデバイスに最終的に組み込まれることを意図して開発された、数多くの興味深いバイオマーカー センサー技術は、研究室で実証され成功を収めていますが、要求の厳しいウェアラブル製品に求められるパフォーマンス メトリックを達成するには、さらなる開発が必要です。アプリケーションの目標を達成するためには、サンプルの濃度が低い場合でもセンサーの感度と安定性をさらに高める必要があります。
センサーデモンストレーションプラットフォーム
一方、モレックスは、さまざまな使い捨てセンサーとインターフェースできる、さまざまな薄型で柔軟なセンサーデモプラットフォームを開発しました。センサー プラットフォームは通常、指定されたセンサーの応答性とアプリケーション要件内で信号を解釈できるようにカスタム構成されます。これらのデモ プラットフォームのセンサーは通常、究極のウェアラブル センサー デバイスで達成可能なものよりも高い濃度を使用して、テクノロジーの可能性を示すとともに、そのギャップも認識します。バイオマーカー化合物の受信は、実質的にセンサー上の識別可能な負荷に変換され、通常は増幅およびデジタル化されてプロセッサに伝達され、論理計算が実行され、最終的にインジケーターディスプレイまたはその他のHMI (モバイルアプリなど) を介してユーザーに伝達されます。
デバイスの商業的成功は、製造可能性と最終的にはコストに加えて、センサー システムのフォーム ファクターとパフォーマンスによって決まります。電子機器の統合の信頼性は、バイオマーカー センサー技術に比べて商業化曲線を上回っています。さまざまなセンサー プラットフォームを使用して、プロトタイプのバイオマーカー信号をモデル化し、サブシステムの機能テストを実施できます。一般的なバイオマーカー センサー プラットフォームの主な機能には、マイクロプロセッサ、オペアンプ、アナログ/デジタル コンバータ、インジケータLEDまたは薄型フレキシブル ディスプレイ、アンテナ、場合によっては追加メモリ、コイン型セルまたは薄膜型バッテリーが含まれます。
図3: フレキシブル ハイブリッド回路により、軽量で完全に統合されたウェアラブル センサーの開発が可能になります。
統合センサーの設計コンセプトは、クイックターンFR4ベースのプリント回路基板アセンブリを使用して検証できるため、新しい設計における変数を制限できます。フレキシブルな機能性印刷および組み立て材料と技術の最近の進歩により、従来の硬質またはフレキシブルなエッチング銅回路よりも経済的で軽量なフレキシブル ハイブリッド センサー エレクトロニクス (図2) が実現しました。銀フレキシブル回路上のバイオマーカー センサー プラットフォームは、非常に複雑でありながら、柔軟性と耐久性に優れた両面回路レイアウトを可能にします。典型的なシステムは、広く利用可能な印刷技術を使用して銀と誘電体インクを塗布したポリエチレンテレフタレート (PET) 基板で構成されます。アプリケーションの要件に応じて、アセンブリには、たとえば、IC用の0.50 mmピッチQFNパッケージ、重要なコンポーネントを保護するためのカプセル化、亜鉛マンガンまたはリチウムポリマーベースの薄膜電池、生体適合性のある取り付け用接着剤、見た目に美しい完成品を実現するためのグラフィック オーバーレイなどを組み込むことができます。
統合センサー プラットフォームの中核では、まず電力予算が考慮され、次にファームウェアが開発されてマイクロコントローラの機能がプログラムされ、マイクロコントローラがセンサー、オペアンプ、およびアナログ/デジタル コンバータからの増幅されデジタル化されたデータを処理し、そのデータがワイヤレス技術 (多くの場合、近距離無線通信 (NFC 13.56MHz) またはBluetooth Low Energy (BLE) を使用) を介してスマートフォンやその他のモバイル デバイスに送信されます。現在、ほとんどの統合センサー設計の厚さは 2～5 mmの範囲です。真のウェアラブル バイオマーカーのフォーム ファクタは、ユーザーにとって最も快適で邪魔にならないように、より薄くする必要があります。シリコンダイが薄くなると、より薄くて柔軟な基板が可能になります。高速シートツーシートおよびロールツーロール印刷および組み立て技術により、はるかに薄い基板 (厚さ1 ～ 2 mm) の大量処理が可能になります。
人間の体液中のさまざまなバイオマーカーを検出するための薄くて柔軟なセンサーの一貫性を向上させるために重要な進歩がありました。しかし、生体液に接触するウェアラブル デバイスの要件は、歩数をカウントしたり、振動、衝撃、周囲温度や表面温度、湿度などの他の外部要因を測定したりするのに使用されるセンサーよりも初期段階で微妙な違いがあります。信頼性が高く、正確で、使い捨てで経済的な、小型のウェアラブル統合バイオマーカー センサー ソリューションを構築するには、さらなる作業が必要になります。先駆的な開発者たちは現在、人間の健康とパフォーマンス指標を監視するために身に着けることができる低コストの適合型電子機器のビジョンに向けて取り組んでいます。
図4: フレキシブル センサー プラットフォームは、アンテナ、薄型フレキシブル ディスプレイ、マイクロコントローラ、薄型フレキシブル バッテリーを統合します。