面向医疗的穿戴式智能生物电子学特刊：传感技术、边缘计算与人工智能融合驱动下一代个性化健康管理

《Electronics》：Wearable and Intelligent (Bio)Electronics for Healthcare

　　标题为“面向医疗的穿戴式智能（生物）电子学：从传感器到人工智能”的特刊致力于一个发展迅速且极具吸引力的科学和技术领域：新型传感器和生物传感器的开发，以及新开发和商业上可用的传感技术在科学和医疗保健不同领域的应用。特刊尤其强调穿戴式和智能（生物）电子器件，以及传感技术与先进数据处理（包括机器学习（ML）和人工智能（AI））的集成。本特刊在设计上刻意做到了广泛且多样化的范围，涵盖了从柔性可拉伸传感平台、生理监测到电源管理、能量收集、嵌入式信号处理、边缘AI、无线技术、医疗应用以及用户体验的广泛传感技术和应用。这种广度旨在为投稿者提供机会，让他们在快速扩展的穿戴式和智能（生物）电子学领域中找到属于自己的科学细分方向，并展示传感技术对医疗保健贡献的多样性途径。本特刊分为两期。第一期主要关注生理传感、信号处理、边缘和AI赋能的分析、辅助与康复应用以及可用性，而柔性功能材料、生化传感、电源管理、能量收集、数据安全和隐私、监管和临床验证等领域则相对较少涉及。基于第一期的经验和洞见，第二期将采用更具聚焦和集成的视角，更加强调穿戴式和智能生物传感器及生物电子系统。从严格意义上讲，生物传感器是一种分析装置，它将生物识别元件与传感器在空间上直接接触，将特定的生物或生化识别事件转换为与目标分析物的浓度或活性相关的可测量信号（图1）。然而，在本特刊中，“（生物）传感器”一词是在现代穿戴式生物电子学、数字健康和生理监测中通常采用的更广泛意义上使用的。在这种语境下，（生物）传感器不一定包含分子生物识别元件，而是可以直接测量生物、生化、生物物理或生理特性。因此，“bio”（生物）前缀被放在括号中以反映这种更广泛的意义，同时涵盖经典的生物传感器和用于获取生物或生理相关信息的传感器。因此，在这里，我们将（生物）传感器定义为一种检测或监测生物、生化、生物物理或生理量，并将由此产生的相互作用或变化转换为可测量信号的分析装置或系统，该信号随后可以被处理以提供有意义的信息（图2）。至于标题开头使用的“穿戴式”一词，在最广泛的科学意义上，穿戴式传感器是一种设计为穿戴在人体上、附着于人体、集成于人体或以其他方式与人体保持密切关联的传感设备，能够在正常日常活动中测量生理、生化、生物力学、行为和/或环境参数（图3）。穿戴式传感器可根据测量信号的性质或传感模式进行分类，包括生化（例如监测葡萄糖、乳酸、电解质、皮质醇和其他代谢物）、电气（例如记录心电图、脑电图和肌电图）、光学（例如PPG和血氧饱和度测量）、机械（例如压力、应变、脉搏和呼吸）、生物热（例如皮肤或体温测定）、基于阻抗（例如皮肤电导和生物阻抗测量）以及惯性（例如加速度、角速度和方向），以及其他类型。最后但同样重要的是，标题中的“智能”一词强调本特刊对智能传感和传感器的强烈关注。智能并非单一组件或功能，而是系统在复杂动态环境中感知、解释、学习、适应、决策和有效行动的能力（图4）。最先进的智能传感器因此正从仅仅将物理、化学或生物刺激转换为可测量信号的传统设备，演进为集多模态传感、高级信号处理、无线通信、传感器与数据融合以及基于AI/ML的解释于一体的高度集成平台。同时，计算正通过边缘、近传感器和传感器内计算越来越靠近传感元件，从而实现更快的响应、减少数据传输、更高的能效、增强的隐私保护以及自适应运行。未来的智能传感器预计将变得越来越小型化、柔性、自主、自校准、自供电、情境感知和个人化，结合能量收集和超低功耗电子与嵌入式人工智能。最终，该领域正从仅仅测量的传感器向具备感知、解释、学习、适应、预测、通信、决策和行动能力的智能传感系统迈进，从而支持并在适当时自主发起决策和行动。因此，智能传感器超越传统的检测被测量量并生成原始信号的功能，它将传感与信号处理、计算、通信以及日益增长的决策能力集成在一起，要么直接在设备上，要么通过紧密耦合的计算资源，从而将原始测量转换为有意义且可操作的信息，并可能实现操作的自主适应。总之，穿戴式和智能（生物）电子学是一个快速发展的跨学科领域，其中（生物）传感、功能材料、微型化电子、信号处理、无线技术和数据分析的进展正日益与机器学习和人工智能融合。这种融合正在将传统传感设备转化为集成和自适应的生物电子系统，不仅能够获取生理和生化信息，还能解释复杂数据、识别模式、预测变化并支持及时和个性化的决策。我们希望本特刊作为一个整体，尤其是第二期，能够激发更多的跨学科研究和向更加自主、互联、个性化且具有临床相关性的下一代医疗保健生物电子系统的技术创新。