第6章 《传感器》：理解传感器的作用
伊曼努尔·康德
我们所有的知识都始于感性。
我在1988年5月底的一个晚上遇到了安尼尔，那天我被安排在普纳市的大卫·萨松综合医院的重症监护室值夜班。安尼尔20多岁，因为无法自主呼吸，急需插管并接受呼吸机支持，他被转入了重症监护室。他是一名工程系学生，正忙于备考。大约10天前，他感到胃部不适，后来短暂康复。然而，在过去的4天里，他逐渐感到双腿和双手发麻、无力，起床也变得越来越困难，甚至痛苦到抬不起手。在接下来的24小时里，症状进一步恶化，等他来到医院时，已经呼吸困难了。
我清楚地记得那个在重症监护室的夜晚，因为当时发生了一次停电。那时电网出故障并不少见，我们配备了备用发电机，可以支持有限的4台简易呼吸机。那天晚上，备用发电机出了故障，我们轮流使用复苏气囊，手动给3名重症监护室的患者提供呼吸支持。复苏气囊是一个自动充气袋，需要有人规律地挤压它，以向无法自主呼吸的患者提供正压通气。那个晚上，我们人手不足，我承担了安尼尔的救治责任，每隔五六秒挤压一次，持续了4个小时，一直到凌晨。那天晚上的大部分时间里，我都不明白安尼尔的病情为什么会迅速恶化，四肢和呼吸肌麻痹。每次挤压时，我都祈祷这种情况可以逆转。
那天早上，著名的神经学家瓦迪亚医生——他也是许多有抱负的医生的楷模——带着一群住院医师走进了重症监护病房。他与安尼尔的母亲悄声交谈，以了解安尼尔的病情进展，然后进行了详细的神经系统检查。在几分钟内，他给出了吉兰—巴雷综合征的诊断。他在病历上写下了一些难以辨认的笔记，推荐了静脉注射类固醇，安抚了家人，然后离开了。
吉兰—巴雷综合征是一种会迅速发展的疾病，患者的免疫系统攻击控制肌肉运动以及传递触觉、温度觉和痛觉的周围神经。它还可能影响整个脑神经网络和中枢神经系统，导致呼吸肌麻痹，限制眼球运动和视力，以及导致吞咽困难。它可以影响整个神经网络和感官。随着时间的推移，安尼尔的病情有所好转。麻痹症状和神经损伤开始减退，他能够自主呼吸了。一周后，呼吸机被移除，他的手脚逐渐恢复一些力量和感觉。两周后他出院，然后开始了长达数月的康复之旅。
早期我在医学院接受培训时，就对神经系统的临床检查产生了浓厚的兴趣。通过从患者那里获取详细的病史，结合广泛的临床测试和操作清单，我们能够粗略评估大脑皮质的复杂性以及它与神经通路的无缝连接，这些神经通路连接整个身体和器官。操作清单包括细致入微的检查，评估注意力、记忆和认知，进行测试以确保小脑和神经传导的正常功能，同时还会对运动和感觉系统进行全面评估。通过对四肢的运动进行临床检查，无论是否施加对抗力，检查者都能够评估各个肌肉群的力量。我观看了瓦迪亚医生用带有橡胶头的锤子敲击安尼尔的肘关节、膝关节和踝关节，以引发腱反射，从而大致了解各个肌肉的完整内部神经支配。
然而，最令我着迷的是感官测试。测试感觉神经系统让我想起了人体神经分布的复杂性和我们常常视为理所当然的简单感觉。用手或棉球轻触装有热水或冷水的试管、针或其他随手可得的物品（如铅笔或钢笔尾端），对触觉、温度觉和痛觉进行测试。检查脑神经，使用光线、嗅盐或震动的音叉测试嗅觉、味觉、视觉、听觉和本体感觉等更高级别的感觉，让我不断想到有许多事情是肉眼所无法察觉的。我们的感觉与复杂的高级智能相互交织，所有这些都是电信号通过突触连接而形成的综合体，这让我想起人类的伟大之处。我们用刺激来测试感觉，我们对大脑内部神经通路和电路复杂性的理解，或者说缺乏理解，都是令人惭愧的。我们评估这些高度专业化的神经功能的能力是有缺陷的、不完美的和原始的。但是，如果我们至少能够更准确、更持续地测量这些神经连接，会是怎样的情景呢？
我们的身体就像是一个错综复杂的传感器。整个人体被一个传感神经网络贯穿，这些神经在大脑与每一个器官、组织和细胞之间穿梭。传感系统如同细胞上的感受器所伸展出来的网状结构，作为一种信息高速通道，电信号在其中要经过错综复杂的感觉神经元、胶质细胞和神经通路。[1]正如亚历桑德罗·贝内代蒂在1497年所说的：“通过神经，感官的通路就像树的根和枝干一样分布。”
高度专业化的细胞群或分子受体充当外部世界的传感器，传导外部感官刺激，从而实现视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉和身体平衡。这些刺激通过感觉神经网络传播到指挥中心，即我们的大脑，大脑对这些信号进行解码，使我们能够了解周围的世界。这种感觉系统并非人类所独有，实际上它存在于所有的生命形式中，只是感官的发展侧重点各不相同。感官的进化程度取决于特定物种的进化，帮助人类和其他动物适应环境，同时确保它们的生存。
我们知道，有些野生动物拥有极其灵敏的嗅觉和视觉，以便对食物和威胁做出适当的反应。有些动物感知世界的方式超出了人类的感知范围。例如，一些动物能够感知电场和磁场。有趣的是，磁感应，即将自己与地球的磁场相对应的能力，似乎是帮助鸟类进行迁徙的特征，在蜜蜂和牛身上也能观察到相似的情况。人类在没有指南针的情况下，是无法很好做到这一点的。鸭嘴兽拥有高度发达的感知器官，可以通过电感应定位其猎物，即通过喙部的传感器监测猎物发出的电信号。蝙蝠利用声音（回声定位）在飞行中导航，在黑暗中找到方向，并找到食物。
人体的感官系统
简单来说，人类有五种基本的感官：听觉、视觉、嗅觉、触觉和味觉。[2]要激活这些感觉，需要某种形式的刺激来扰动相关的感受器（类似于传感器）。根据刺激的类型、位置、强度和持续时间，人类有专门设定好的感受器来响应这些刺激，并将信息传递到大脑，由大脑处理并产生相应的反应。那些将信号从感受器传递到大脑的神经被称为传入神经，那些将反应带回的神经则被称为传出神经。例如，触摸或疼痛（尖锐的或钝的）可以刺激皮肤或手上的机械感受器。接着，这个刺激在大脑中被解读，决定如何反应并传回指令。简而言之，一个带有传入连接并进入大脑的感受器（传感器）和一个传出回路用以产生反应，构成了所有基于传感器策略的核心。
某种物理刺激会激发相应的感受器，从而启动感官体验。这些感受器遍布全身，功能各有不同。机械感受器能感知触摸、压力或疼痛；化学感受器会因为化学刺激而被激活，例如血氧饱和度、电解质、pH值、乳酸水平的变化等；温度感受器会对温度变化产生反应，而眼睛中的光感受器则会对光线产生反应。基础过程涉及将这些刺激转化为动作电位，然后通过电轴传递到大脑皮质进行处理、解释和响应。
触觉和温度感知能力能够帮助我们避开极端环境的挑战，保护自己免受伤害。就在2021年，戴维·朱利叶斯博士和阿登·帕塔普蒂安博士因发现了温度和机械力的分子感受器而获得了诺贝尔生理学或医学奖。[3]这些对机械力敏感的感受器主要分布在皮肤和肌肉骨骼系统中，并能识别各种人类感官体验，从触觉到膀胱充盈时的拉伸感。这些感受器还可以引发许多感觉，包括愉悦、疼痛和不适。虽然刺激方式各不相同，神经途径也各具特点，但底层的反射弧原理保持不变。
嗅觉和味觉是由嗅觉系统和味觉系统中的化学感受器产生的，受化学刺激的触发。例如，气味分子（如咖啡、玫瑰或香水的气味）与鼻腔中的嗅觉神经元结合，引发了大脑中的识别和响应回路。视觉的复杂性令人惊叹，反映了自然界最高级的精密程度。视觉是我们感知可见光并在视网膜的光感受器上生成图像的能力，这些光感受器会产生不同图案、色调、颜色和亮度的电脉冲。任何通过化学反应来解释这个在日常生活中几乎每秒都能完美运作的系统的尝试似乎都显得不足。视觉传感器主要有三种类型的感受器：视杆细胞、视锥细胞和神经节细胞。视杆细胞对光的强度敏感，视锥细胞对颜色有反应，而神经节细胞位于视网膜中并参与中枢神经系统的自主反应。视杆细胞使我们能够在昏暗的光线下看到物体，而视杆细胞和视锥细胞的比例在某种程度上是动物昼行性或夜行性的决定因素或相关因素。在视网膜百万神经节细胞中，只有一小部分与视觉无关，但具有光敏性，并可能参与我们刚从睡眠中睁开眼睛时心率加快和血压升高的反应。有趣的是，人类在早晨心脏病发作和猝死的概率较高，这归因于早晨睁开眼睛时的交感神经反射。
听觉是一种感知声音的感觉，通过声音振动刺激内耳的毛细胞（类似于吉他弦）而产生。声音振动通过机械传导经由鼓膜传递，并产生电神经冲动，这些冲动通过听觉神经传输至大脑皮质的听觉区域。类似地，味觉是由舌头上味蕾中的感受器产生的。温度感受器对温度变化做出反应，有两种不同类型的感受器分别对热和冷做出反应。此外还有嗅觉感受器，它对气味进行感知。还有一类伤害感受器，它对疼痛或疼痛刺激，如热、冷或过度压力做出反应，并迅速被大脑处理，引起即时的适应性反应，如退缩。疼痛的主要目的是提醒我们注意危险并帮助我们避免它。除此之外，我们还拥有其他各种感觉，比如本体感知（也称为身体感觉）和平衡感，以及其他各种内部刺激，比如饥饿或口渴的感觉。另外一个独特的感觉是性刺激，它涉及多种感觉的相互作用，并与一系列化学触发器和激素刺激有关。
这些外围感受器将信号发送到大脑内的感觉皮层。每种感觉的中枢指挥区域是独立的，感觉皮层包括体感皮层、视觉皮层、听觉皮层、嗅觉皮层和味觉皮层。每个区域在大脑内有独立的表示，并负责处理传入信号（即刺激）和发送传出信号以进行适当的反应。所有信息在关联皮层中集成，实现更高层次的神经处理。有趣的是，我们自身的感觉系统为我们提供了未来护理服务的路线图。
未来的医院指挥中心类似于关联皮层，而大脑中不同感觉及其各自的表征则反映了医院内不同的服务区域。每个服务区域接收到感觉输入，这些输入被处理并发送到指挥中心，在那里，信息被解构，实现综合个体化护理的交付（参见第四部分，第18章）。
模拟数字界面
传感器基本上无处不在。简单地说，传感器是一种能够监测信号然后促进对信号做出反应的设备。这些信号可以是物理的、化学的或生物的，包括温度、压力、光线、触摸、重量、液位、磁场或电场等。我们的私家车、火车、公共汽车、住宅、商场、办公室、医院和工业设施都装有传感器，并将越来越多地嵌入传感器。
传感器本身并没有太多用途。要使传感器发挥作用，它必须是一个更大系统的一部分。传感器在人体或设备中的位置，可以是外在的，也可以是内在的。它位于入口处，接收来自外部的信号并向设备提供外部的环境信息，或者作为较大设备内部电路的一部分。例如，在汽车中，传感器监测汽车的功能和内部引擎的状态（如轮胎压力、油位和制动器）。传感器感知到变化的刺激，获取数据，然后作为较大系统的一个组成部分实现反馈。
人体就像汽车一样，也可以被数字化。[4]每个器官系统都可以被分解为多个功能，并配备外部传感器监测每个功能。这可以为我们提供持续监测和积极干预以预防疾病的产生。计算能力的进步将使医疗保健专业人员能够根据病人在医生诊室之外的各种病程轨迹进行每分钟的决策。传感器将改变我们行医的方式，使医疗服务更加高效、客观、定量化、经济实惠和合理。
我们仍然生活在一个以模拟为主的世界中。来自人类世界的信号需要与数字世界进行通信。正是在这里，传感器构成了模拟信号（例如物理刺激）和下游电子电路之间的接口，通过产生电荷与其进行通信。传感器是任何使用数字信号处理器设备中的组件，处理器接收电信号并将其传输或生成响应。这些微处理器是所有计算机化设备的固有部分，无论是汽车、飞机、恒温器、微波炉还是咖啡机。这些信息是通过电子流传输的。传感器充当着一种翻译者的角色，帮助建立模拟刺激和接口设备之间的共同语言。在医学领域，传感器现在能够监测生命体征和疾病状态。随着技术进步，智能传感器不仅具有传感能力，还具有数据处理能力，能够做出智能响应。
这一切是如何工作的呢？
在人体外部，传感器被描述为用硅芯片代替人的眼睛、耳朵和鼻子。[5]传感器将诸如热量、光线、声音或运动等刺激转化为电信号，这些信号被转换成二进制代码并向前发送，通常发送到集成在电子系统中的计算机处理器，从而引发反应或产生脉冲。从医学角度来看，传感器是一种复杂的设备，能够将温度、血压、心率、心音等物理参数转化为可测量的信号，然后通过电信号传输以引发反应。总的来说，工作中的传感器通常可以每秒发送10G数据，比传统的互联网速度快400倍。根据所需的功能，可以添加更多传感器并提高速度。
这些传感器可能很复杂，但可以集成在一起工作。我们知道，一些汽车现在具备感官系统，可以通过测量眼球运动、头部倾斜或对方向盘的握持来提醒驾驶员注意疲劳驾驶。这些传感器与紧急制动系统相连，旨在提高安全性或建议驾驶员采取规避措施。显然，如果没有执行系统来部署响应，那么拥有传感器就毫无意义。
在医学领域中，执行系统可以是患者、医疗服务提供者或独立单元，传感器接收信号并经过处理以提供所需的行动。在患者层面上，来自传感器的数据点，例如血糖水平或血压测量值，会提醒患者采取行动。另一方面，医疗服务提供者可能会接收到警报并采取适当的行动。这种关系的最高级形式是闭环系统，其中传感器本身会启动适当的响应，例如基于葡萄糖传感器的胰岛素释放系统，葡萄糖水平驱动胰岛素从输送设备中释放。另外，还有用于监测运动和跌倒的家庭传感器。这些传感器作为环境传感器，通过智能手机或无线调制解调器，不断向远程监测服务器提供信息，如果易摔倒人群的步态或稳定性发生变化，就可以提醒护理人员。
早期干预和预防措施
我一直认为，手术干预反映了我们无法通过微创的方法治愈疾病，或对分子水平上的调节作用缺乏理解，从而阻碍了无创性药理学方法的使用。人们总是在事情出问题后，或即将出问题时才去修复它。未来的方向应该是我们继续探索疾病的源头，任何侵入性的、需要切割皮肤的手段都将变得过时。[6]传感器将在这方面为我们提供更深入的了解，并辅助疾病前期诊疗措施的调整。
可穿戴设备提供了一种摆脱手术的方式，利用唾液、眼泪和汗液等易于获取的生物体液进行不间断的化学监测，类似于复杂的、有自动诊断功能的机油检查。[7]同一患者可能需要多个可穿戴设备和植入设备来监测不同的器官。这些传感器阵列需要协同工作，当故障指示灯亮起时，我们才能知道应该从哪里着手。
开发良好运作的数字传感器是一个复杂的过程，需要临床医生、传感器工程师、数据科学家和临床研究人员的共同努力，以便确定临床需求并共同解决问题。传感器的开发是一个迭代的过程，需要持续的验证和改进，可能涉及传感器的生物力学和电路结构，以及支持其功能的反馈机制和算法。
像汽车保养一样
医疗费用继续呈指数级增长。现在，医疗预算中的3/4用于慢性病患者的护理。与此同时，以患者为中心的护理需求也在不断增长。医疗行业的逐渐数字化和电子健康记录成为常态，迫使我们超越传统的临床医疗模式进行思考。医疗领域正在大力推动将低复杂度的住院病人转移到门诊，并将简单的门诊患者的护理转移到自己家中。这些护理愿景依赖于可穿戴设备和植入式设备的日益普及，以及设备提供的数据流。[8]
同时，我们的临床实践亟须文化变革，从传统的偶发性和一次性医疗模式转变为持续性医疗模式。尽管我们按照特定的时间间隔回访患者，但疾病的状态并不完全按照诊疗模式发展——患者不会每隔3个月、6个月或12个月就生病。通过数字世界的技术进步，在正确的时间、正确的地点为患者提供正确的护理，这似乎更有可能成为现实。
正如前面所述，人体可以与汽车进行类比，其中有许多传感器根据大量的数字数据生成、分析和做出决策。这些决策可以是逐秒的，涉及发动机的微调；也可以是长期的，周期性的维护需要进行定期检查。同样，每个器官系统都可以通过传感器进行监测，持续传输数据。作为一名心脏电生理学家，我过去几十年一直在为患者植入电子设备。这些设备，无论是除颤器还是起搏器，都内置了许多简单的传感器，从心率、呼吸、心音、身体活动和阻抗测量中获取信息（胸阻抗测量胸部内部电流与电压的阻抗，当胸腔积液时，阻抗可能会显著异常）。[9]这些变量中，无论是单独使用还是结合使用，都可以监测和预测危及生命的事件。正如我在接下来的章节中所描述的，这些传感器正变得越来越复杂。就像在出现潜在故障或需要维修时发动机故障指示灯异常一样，传感器很快就能提供器官状态的检查信号。
可穿戴设备和传感器在医疗系统中扮演什么角色？
可穿戴设备和传感器是一个不断涌现新设备和新应用的复杂领域。全球已经有超过50万个健康应用程序和数百种类型的可穿戴设备。其中，活动监测器、手环和智能手表只占移动医疗监测设备中的一小部分。尽管大多数应用程序最初专注于健康管理，但监测疾病状态的应用程序也在增加。这些可穿戴设备和应用程序为我们提供了传感器方法，帮助监测心率、血压、体温、活动、水合状况、睡眠阶段、压力甚至血糖水平。虽然这些设备创造了广泛的可能性，但也带来了一些挑战，包括测量的可重复性和将其整合到临床实践的工作流程中。此外，在传感器激活和临床可操作数据的创建之间还存在许多步骤。
通过使用传感器数据，在患者出现明显症状之前监测微妙的变化，使患者能够管理自己的疾病状态，这是一个值得追求的目标。[10]然而，实现这一目标将在很大程度上依赖于更好的传感器、更准确可靠的数据，以及医疗护理文化的转变。
注释
[1]Walsh,V.2017.“Sensory Systems.” Reference Module in Neuroscience and Biobehavioral Psychology.doi:10.1016/B978-0-12-809324-5.06867-X.
[2]Vosshall,L.B.,and M.Carandini.2009.“Sensory Systems.”Curr Opin Neurobiol 19:343-44.
[3]Ledford,H.,and E.Callaway.2021.“Medicine Nobel Goes to ScientistsWho Discovered Biology of Senses.” Nature 598:246.
[4]Münzl,M.2018.“The Human Body as an Analogy for Automa-tion.” Balluf Blog. an-analogy-for-automation/.
[5]Fraden,J.2014.Handbook of Modern Sensors:Physics,Designs,and Applications.New York:Springer.
[6]Merchant,F.M.,G.W.Dec,and J.P.Singh.2010.“Implantable Sensors for Heart Failure.” Circ Arrhythm Electrophysiol 3:657-67.
[7]Dang,W.,et al.2018.“Stretchable Wireless System for Sweat pH Monitoring.” Biosens Bioelectron 107:192-202.
[8]Bussooa,A.,S.Neale,and J.R.Mercer.2018.“Future of Smart Cardiovascular Implants.” Sensors (Basel) 18:e2008.
[9]Gardner,R.S.,et al.2018.“HeartLogic Multisensor Algorithm Identifies Patients during Periods of Significantly Increased Risk of Heart Failure Events:Results from the MultiSENSE Study.” Circ Heart Fail 11:e004669.
[10]Zhao,M.,J.H.Wasfy,and J.P.Singh.2020.“Sensor-Aided Continuous Care and Self-Management:Implications for the Post-COVID Era.” Lancet Digit Health 2:e632-e634.