文 辛均益
健康传感器技术的快速演进，正推动全球医疗体系从“被动治疗”向“主动健康管理”的范式转变。研究表明，全球健康传感器市场规模预计将从2022年的15.96亿美元增长至2031年的117.3亿美元，技术与市场的双轮驱动将加速推进主动医学生态的系统性落地。
传统医疗模式长期呈现“以疾病为中心、以医院为核心”的被动响应特征，患者通常在疾病明显发作后才接受临床干预，这不仅导致医疗资源的严重挤占，更错失了疾病早期防控的黄金窗口。近年来，人工智能物联网（AIoT）与健康传感器技术的深度融合，为这一结构性矛盾提供了根本性的解决路径。
健康传感器已由单一物理量测量工具，演变为集生物标志物原位分析、多模态数据融合与边缘AI计算于一体的智能感知平台。这一技术演进推动了“主动医学”（Proactive Medicine）理念的形成——即在疾病症状确凿出现之前，通过持续生理监测、数据分析与智能干预，实现个体化的风险预警与全周期健康管理。本文将从技术代际演进、前沿技术突破、闭环系统应用及临床转化挑战四个维度，对这一领域进行系统性综述与分析。
健康传感器的技术代际演进
第一代刚性电化学传感（20世纪末–2010年前）依托光纤光学、电化学电极及表面等离子体共振（SPR）技术，实现了对血气、葡萄糖等基础生化参数的离散式检测。1992年，首款手持式血液生物传感器i-STAT的问世标志着即时检验（POCT）概念的正式确立。然而，设备体积庞大、依赖侵入式采样的固有局限，使其被严格限定在专业临床环境中，无法实现日常场景的连续动态监测。
第二代MEMS消费级可穿戴传感（2010–2020年）以微机电系统（MEMS）微型化与低功耗蓝牙（BLE）技术的成熟为核心驱动力，催生了以智能手表、健身手环为代表的消费级可穿戴生态。然而，真实世界验证研究揭示了这一阶段显著的精度局限：不同品牌设备的步数统计准确率存在巨大差异，Garmin步数统计准确率达82.58%，部分智能戒指步数测量误差率高达50.3%。更关键的是，表皮温度传感器所测量的是受环境、衣物与局部血流影响、在28℃至34℃区间内剧烈波动的皮肤温度，而非健康成人的标准区间36.2℃–37.5℃核心体温，这从根本上限制了其临床诊断效力。
第三代柔性原位智能传感（2020年至今）以柔性生物电子学、原位生化分析与AI融合为核心特征。传感器突破了刚性封装的形态约束，以智能贴片、植入式神经芯片及微流控系统的形态与人体组织实现机械与电学层面的无缝耦合，并深度集成边缘AI算法，实现了从原始数据采集到高层疾病预警的端到端闭环感知能力。
前沿技术突破
一、柔性生物电子学
人体皮肤作为面积约2m²的最大感知界面，与传统刚性电子器件之间存在数量级的机械模量失配，长期贴附极易诱发信号伪影与免疫排异反应。以Bao、Rogers及黄维等顶尖学者为代表的研究团队证明，通过结构力学设计与碳纳米管、石墨烯、导电聚合物等纳米材料的联合应用，可制造出与生物组织力学性能高度匹配的柔性电子器件。这些系统已在连续血压监测、心电图获取及心外膜信号捕获等心血管健康管理场景中获得广泛临床验证，显著提升了长期监测的依从性与信号保真度。
二、原位汗液分析
人类汗液富含皮质醇、葡萄糖、乳酸及尿酸等关键代谢标志物，是理想的无创分子检测介质。加州理工学院Gao团队于2016年在Nature发表了集成可穿戴汗液传感阵列，实现了多项代谢物的同步实时分析。然而，传统汗液传感器面临受体饱和的致命缺陷：靶标分子的持续结合会导致传感表面失效，无法支持长期连续监测。为此，该团队进一步研发了IREM-W2MS3系统，即“原位可再生、环境稳定、多模态、无线可穿戴分子汗液传感”平台，突破性地具备了自我更新传感表面的能力，并可通过微小刺激按需诱导局部排汗，从根本上突破了长期连续生化监测的核心瓶颈。
三、摩擦纳米发电机（TENG）
传统电池供电模式在体积、寿命与环境可持续性上面临严峻瓶颈，在超微型植入式设备中尤为突出，电池耗尽往往意味着需要进行二次手术更换。王中林院士团队于2012年首次提出摩擦纳米发电机（TENG）技术，其基于接触起电与静电感应耦合机制，可将人体运动、呼吸甚至脉搏的微小低频机械能高效转化为电能。最新研究表明，TENG的机械能转换效率已达约85%，其本身亦可作为高灵敏度的自驱动传感器，以极高精度捕获生命体征信号。2024年，TENG技术被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）列入年度十大新兴化学技术，为无源、长效的可穿戴及植入式医疗设备奠定了坚实基础。
从感知到干预：闭环医疗系统的应用
健康传感器的最深远临床价值，在于其与执行机构耦合形成的动态闭环控制系统（Closed-loop System），从根本上克服了传统开环治疗因缺乏实时反馈而导致的过度或不足治疗问题。
在材料层面，刺激响应型生物智能材料构成了一类自主维持型闭环系统，无需外部电子元件干预。在糖尿病精准管理或肿瘤局部靶向治疗中，载药传感器实时检测到局部pH值变化或葡萄糖浓度异常升高时，自发引发材料构象变化，瞬时触发靶向药物释放，在微观层面完成完整的感知-响应闭环。
在器件层面，集成生物电子型闭环系统由微传感器、数据处理模块与精密执行器协同构成。以闭环深部脑刺激（DBS）治疗帕金森病为例，植入式系统实时记录肌电图信号，在探测到异常震颤的毫秒级别内施加精确电刺激，不仅大幅降低了副作用，还显著延长了植入设备的电池寿命。在脊髓损伤（SCI）康复领域，脑机接口（BCI）解码大脑皮层运动意图，并将其转换为硬膜外电刺激（EES）信号，结合感觉传入反馈重建大脑与脊髓间的数字化通信回路，已在灵长类动物实验中得到验证，为恢复瘫痪患者运动功能与促进神经可塑性提供了重要依据。
通过DIKWP（数据-信息-知识-智慧-意图）模型对多模态传感数据进行升维处理，个体的健康管理得以从点状的被动检查转变为全周期的持续感知，公众也从被动患者转变为自身健康的第一责任人。
临床转化的核心挑战
生化信号的交叉干扰是当前非侵入式传感器面临的最核心技术挑战。以汗液贴片传感器为例，环境温度波动会直接影响葡萄糖和乳酸传感器的电化学响应；汗液pH值的改变会扭曲葡萄糖读数；汗液分泌率本身与分析物浓度呈现高度非线性关系；传感器贴附位置缺乏统一标准，进一步导致局部数据难以准确推算全身系统性生理状态。
系统集成的功耗约束构成了硬件工程层面的重大挑战。对于植入式或隐形可穿戴系统而言，严苛的生物相容性与微创性要求将设备体积压缩至毫米量级，迫使工程师在传感模态数量、数据采样率与端侧算力之间做出艰难取舍。如何在超低功耗约束下，在单颗系统级芯片（SoC）上协同模拟前端电路、TENG能量收集模块与安全无线传输，是当前微电子工程的核心攻坚方向。
数据孤岛与安全隐私威胁着整体生态的商业化前景。据报告，由于不同电子健康档案（EHR）系统之间严重缺乏互操作性标准，高达33%的可穿戴健康数据处于未被充分利用的沉睡状态。与此同时，资源受限的边缘传感器节点普遍缺乏运行高级加密算法的能力，极易遭受嗅探与重放等网络攻击，在涉及生命安全的闭环医疗干预中埋下重大安全隐患。此外，闭环医疗AI自主决策失误的法律责任界定尚不明晰，亟须完善的伦理法规体系加以规范。
在市场层面，全球健康传感器市场正处于高速扩张期，市场规模预计从2022年的15.96亿美元增至2031年的117.3亿美元，广义可穿戴传感器市场于2035年预估将达390.1亿美元。然而，上述技术与监管瓶颈的突破速度将在很大程度上决定这一市场潜力能否有效转化为临床现实。
结语
健康传感器技术已从早期单一的物理参数测量工具，系统性地演进为集柔性生物电子、原位生化分析与智能闭环反馈于一体的医疗感知平台。三代技术的迭代演进揭示了一条清晰的技术逻辑：传感维度从物理量走向生化分子，感知形态从刚性有创走向柔性无感，治疗模式从开环被动走向闭环主动。在TENG自供能、多重汗液分析与脑机接口等前沿技术的联合驱动下，主动医学的宏伟愿景正加速转化为临床现实。
尽管数据交叉干扰、系统集成功耗、互操作性缺失与安全伦理等挑战犹在，但这些瓶颈正在推动跨学科合作、技术标准制定与监管框架完善的系统性演进。展望未来，随着高精度传感器成本的持续下降与普惠化普及，主动健康管理将不再是少数人的福利，而将成为全民公共卫生基础设施的重要组成部分，医疗亦将真正融入每一次呼吸与每一滴汗液的无感监测之中。
作者简介：辛均益，杭州医学院信息工程学院副院长、信息与教育技术中心主任，脑认知与数字医疗器械浙江省工程研究中心副主任、总工程师；中国医学装备协会医院物联网分会副会长、秘书长。