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產業技術評析
生物感測器為醫療保健領域帶來新變革
發表日期：2017-01-18
作者：林怡欣(工研院IEK)
摘要：
隨著智慧健康、智慧醫療產業興起，產業鏈上中下游蓬勃發展，在前端硬體裝置之生理參數監測設備亦投入大量資源開發，而生物感測器則為生理參數監測設備之核心技術，其包含感測元件、訊號轉能器與電子電路裝置，可偵測人體內外環境、生物分子與化學物質再轉變成可供判讀之訊號裝置。
全文：
一、生物感測器為生理參數監測設備之核心技術
隨著智慧健康、智慧醫療產業興起，產業鏈上中下游蓬勃發展，在前端硬體裝置之生理參數監測設備亦投入大量資源開發，而生物感測器則為生理參數監測設備之核心技術，其包含感測元件、訊號轉能器與電子電路裝置，可偵測人體內外環境、生物分子與化學物質再轉變成可供判讀之訊號裝置。而這些感測物可包含小至人體核酸、蛋白質、抗體、酵素、細胞受體，大至器官、組織等，或是生物衍生材料與仿生物等，透過與特異性物質進行交互作用，或是直接接收訊號，再由訊號轉能器產生連續或不連續電子訊號來測量感測物。生物感測器中的轉能器可以是光學、電化學、微型機械、壓電、電磁與熱學等，除了人體檢測外，亦可應用於各式生物樣品如體液、食品、細胞培養與環境樣品等。
生理參數監測裝置應用在醫療保健分級分段架構下其感測類型、目的均有所不同，如在診斷、治療後、預後以及預防監測均有迥異，但是其目標皆在藉由生物感測器來發揮預防和診斷後的監督工作，以確保個人健康保健。過去醫療領域之生物感測器大多應用在醫療診斷與居家監測等，近年來，隨著感測技術精進、微型化發展，許多創新技術應用於預防保健之健康健身領域也如雨後春筍般擴展開來。
二、醫療保健生物感測器市場蓬勃發展
生物感測器依照感測技術可分為標記(Label-based)與非標記檢測(Label-free)，標記檢測用於檢測特定目標物，藉由標記物的特性，利用螢光、冷光與放射線核種等標記物來標記待測物進行檢測，然而標記過程的好壞與否與樣品純度、品質息息相關，而大多數標記物為蛋白質所組成，也會影響分子作用的功能和穩定性。因此，除了標記檢測外也開發非標記檢測技術來克服這些缺點，例如電相關技術、質譜儀、表面薄膜電漿共振(SPR)、聲學或是基於表面應力技術(surface stress-based)如光學或壓阻效應等技術。若是以應用別來看，生物感測器可分為臨床與非臨床應用，臨床應用包含體內(in vivo)長期植入式與短期侵入式感測，以及體外(in vitro)單次與多次檢測分析；非臨床應用範疇如應用於疲勞駕駛車輛防撞系統、爆炸檢測、食品病原菌檢測、環境生物檢測等。
根據Frost & Sullivan 資料預估，全球生物感測器市場規模將從2014年的115.3億美元成長至2021年的287.9億美元，2014-2021年CAGR為14%，整體垂直市場(Vertical Market)將逐漸成長。其中定點照護與居家診斷產品為市場最大宗，2015年占生物感測器市場的43.3%與19.7%，隨著新型生物感測器開發出來，依垂直市場使用端來看，居家診斷、生物防禦與安全、環境檢測與研究實驗室應用等將是未來成長主力，而汽車與行動平台應用亦為成長潛力動能之一。若以垂直市場應用端來看，與使用端相仿仍是以健康與健身監測應用占市場主要比重，尤以糖尿病檢測與監測裝置最為廣泛使用，隨著智慧健康意識興起，更多健康相關之生理監測裝置開發上市，勢必將擴展生物感測器應用在臨床與醫療保健領域之多元性。
三、醫療保健生物感測器技術應用趨勢
由於IoT議題發酵，生理監測設備不再是過往單機單功能式檢測，而是朝向多功能、遠距、連續式、穿戴式、提升設備互操作性與整合性之方向開發。若由醫療設備角度來看，多功能、快速影像/資料數據處理速度優勢將有助於建立與更新病患病歷與實驗報告之一致性；若由生物感測器角度來看，微電子與奈米感測器技術開發將可提升生物感測器之精準度。
人體生物感測穿戴裝置基於使用便利與方便觀測，多集中在腕戴(Wrist)裝置上，然而人體個體特異性、膚色差異與微血管細微等特性，讓腕戴裝置對於身體重要的健康資訊如心率與血壓等數據較難獲得精確的數值。隨著感測技術應用展開，生物感測逐漸由手腕應用朝向人體中心擴展至頭部、上半身等部位，新的應用如皮膚貼片、Tattoos、珠寶、眼鏡、隱形眼鏡、頭部裝置以及嵌入服裝布料當中的生物感測器等。而除了硬體裝置外，後端分析軟體亦同樣扮演著解析人體數據資料、提高數據精確度並提供數據變化分析之重要角色。
以下簡述未來生物感測器創新應用開發趨勢：
（一）以石墨烯為基礎之生物感測器
英國斯旺西大學已開發出以石墨烯為基礎，應用於高風險癌症檢測之超靈敏生物感測器，其靈敏度為傳統生物測定方式之5倍，只需短短幾分鐘，便可檢測高危險分子或潛在的惡性細胞。另一方面，南韓科學家也開發了以石墨烯和金所組合之穿戴感測貼片，其可監測糖尿病患者汗液中的葡萄糖數值，並在貼片上嵌入微針陣列，透過它來釋放糖尿病藥物。除此之外，還可以監測pH酸鹼值和溫度，亦可自動校正以提供更準確的數據。
（二）預後(Prognostic)指標
透過生物感測器可檢測腫瘤細胞所分泌的物質，以至於能夠區分良性或惡性腫瘤之存在與否，另外，藉由生物感測器來檢測腫瘤生物標記物，可監測腫瘤生長狀況以及癌症治療的療效成果以達到預後(疾病發展情況)的監測。也由於大多數癌症診斷需要多種生物標記物來確認，而能快速偵測多種分析物之生物感測器如POCT檢測則成為癌症診斷與監測之最佳利器。
（三）非侵入式血糖檢測
除了Google開發智慧隱形眼鏡偵測血糖值外，德國國際技術研究機構Fraunhofer也開發一種非侵入式奈米穿戴裝置，可連續性監測糖尿病患者血糖。其原理在於測量人體組織液如淚液與汗液再與奈米感測器上的酵素產生電化學反應，優勢在於功耗低、精度高，還可以利用Wi-Fi來傳輸數據至行動接收器上，讓病患可以連續式監測血糖。
（四）植入式生物感測器
過去曾有德國半導體公司Zentrum Mikroelektronik Dresden AG (ZMDI)和美國Senseonics公司合作開發植入式生物感測器應用於連續式血糖監測裝置。Senseonics負責發展感測器上螢光技術，而ZMDI導入特殊應用積體電路(ASIC)的設計，包含系統單晶片(system-on-a-chip, SoC)的控制和分析，專注在微晶片生物感測器開發。近來，日本東京大學染谷隆夫教授承接日本NEDO計畫，預計開發出以軟性基板(Flexible substrate)為基礎的有機電晶體，其能耐高溫與具有可撓性的特性，未來將可透過高溫殺菌製程之後植入人體，實現及時感測並追蹤人體狀態的機能。
四、醫療保健生物感測器產業發展與挑戰
儘管醫療應用之生物感測器產品和技術不斷地創新和精進，但是大多數感測核心技術仍有專利保護，因此市場成長仍受限於某些垂直市場。除此之外感測器測量之靈敏度、精準度、生物分子之穩定度與壽命活性、生物感測器之穩定性、檢測時間、感測物是否需要預先處理、感測器微型化技術以及生產製造成本等均會影響生物感測器之發展。目前現行醫療領域之生理檢測技術常見為利用酵素原理藉由受質與分析物之間的酵素催化反應來檢測，如顏色、pH或氧化狀態變化等，而這對部分非利用酵素原理感測的生物感測器仍存在一大挑戰。
隨著感測技術應用展開，生物感測器不在只是手腕式應用，產品型式已延伸擴大到貼片式、嵌入式、纖維服裝式、非接觸式與非侵入式等多種樣貌開發，藉由不同部位感測生理資訊，尋求人體最適佳感測方式與樣態，亦可開發找尋新型感測標的。我國廠商在醫療保健用之生物感測器能量較為不足，關鍵感測核心元件仍由國外購置，期待未來憑藉著我國廠商優良IC設計與先進製程製造的能力，並強化後端軟體演算法之能量，將可建構和健全我國在醫療保健之生物感測器之發展。
(本文作者為工研院IEK執行ITIS計畫產業分析師)
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