用于皮肤病变生物阻抗测量的无线无电池无芯片贴片：黑色素瘤早期评估的创新可穿戴技术

本刊推荐：为解决黑色素瘤早期诊断中视觉评估主观性强、现有检测设备昂贵且需专业操作的问题，研究人员开发了一种无线、无电池、无芯片的可穿戴贴片，通过非侵入性测量皮肤病变的生物阻抗（Bioimpedance），实现了对黑色素瘤风险的早期识别。实验及人体试验表明，该贴片能有效区分色素性病变与健康组织的阻抗差异，为家庭和初级医疗场景提供了一种低成本、便捷的辅助诊断工具，有望减少不必要的活检并提升诊断效率。

黑色素瘤作为一种高度侵袭性的皮肤癌，其发病率在过去几十年中显著上升，仅在美国，2023年就有97,610例新确诊病例。早期识别和及时干预能够大幅提高治疗成功率并降低死亡率，但目前依赖视觉检查色素性病变的方法存在主观性强、信息不全面的局限，往往需要进一步通过皮肤镜、反射共聚焦显微镜或活检等专业手段进行验证。这些评估通常由皮肤科医生执行，难以在初级医疗或家庭场景中普及。此外，尽管基于深度学习的影像技术已被用于黑色素瘤检测，但这些方法大多依赖表面形态特征，缺乏对病变深层生理信息的捕捉。

现有技术如MelaFind（基于多光谱图像分析的人工智能设备）虽能辅助分类黑色素细胞病变，但其特异性较低，且仅适用于40岁以上的临床评估，存在假阳性率高和引发不必要活检的风险。因此，开发一种易于使用、可辅助初级医疗提供者和患者进行早期风险筛查的可穿戴设备具有重要意义。近年来，研究表明皮肤的电生理参数和电阻抗（Electrical Impedance）变化与病变状态密切相关，阻抗传感技术能够捕获比视觉评估更深的生理特性，为诊断提供互补的非视觉方法。例如，电阻抗谱（EIS）技术的引入显著提升了诊断敏感性和临床决策能力，在挑战性病例中相对改善了近40%的诊断准确性，与短期数字皮肤镜结合时甚至实现了100%的黑色素瘤检测灵敏度。

然而，现有的EIS系统（如SciBase的Nevisense）仍存在成本高、微创性强、需专业操作等局限，不适合家庭或初级医疗使用。可穿戴阻抗传感平台虽具有无创、廉价的潜力，但实现高空间分辨率的电气阻抗断层成像（EIT）仍面临挑战，包括需放大注入电流（可能带来肌肉损伤风险）以及空间分辨率不足等问题。

为此，研究团队开发了一种柔性、无电池、无芯片的贴片设备，通过测量谐振频率的变化来检测阻抗差异，从而区分健康与异常组织。该贴片成本低、可丢弃，并能通过与个人电子设备结合，测量病变的生物阻抗，在早期发展阶段警示医疗咨询的必要性。它还可作为高风险患者的家庭监测工具，帮助跟踪可疑病变的变化。这一技术允许对病变特性进行定量分析，减少对主观视觉评估的依赖，提供数值化数据，降低操作者依赖性，并有望减少因依赖形态学评估而导致的不必要活检。

该贴片放置于皮肤可疑部位，通过与读取器模块结合获取阻抗数据。团队通过有限元分析（FEA）发现，恶性肿瘤的存在会改变健康皮肤组织中的电流分布，且病变的形状和发育阶段会影响其阻抗特性。人体试验表明，该贴片能够测量色素性病变的阻抗（范围约为1.7 kΩ至8 kΩ），并与商用EIS系统数据进行了对比验证。

研究由Wake Forest University、Rowan University和Northern Illinois University的研究人员合作完成，论文发表在《npj Biomedical Innovations》上。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过屏幕印刷和柔性电路板工艺在聚酰亚胺基板上制作无线贴片，集成电感-电容（LC）谐振器实现无电池操作；利用矢量网络分析仪（VNA）和磁感应耦合机制进行无线功率传输和阻抗测量；结合有限元分析（FEA）模拟皮肤模型中的电流分布；并通过10名人类受试者的试验验证设备性能，使用商用EIS设备（Nevisense）作为对照。

Principle of operation, fabrication, and analysis of wireless measurement of skin impedance

研究团队设计了一个由柔性皮肤贴片和读取器模块组成的无线系统。贴片通过磁感应耦合从读取器获取能量，无需内置电源，其等效电路模型将皮肤组织表征为电阻（R_EC）和电容（C_CM）组合。通过测量谐振频率（ω_r）的变化来检测皮肤阻抗（Z_L）的变化，从而反映病变状态。

Analysis of wireless impedance measurement, coupling coefficient, and sensitivity

分析表明，耦合系数（k）对功率传输效率至关重要，最优值为0.6。系统对皮肤电阻和电容的变化敏感，灵敏度随电阻增加而降低，随电容增加而升高。这确保了设备在测量生物阻抗时的准确性和稳定性。

Device characterization and effect of electrodes on impedance measurement

实验显示，使用导电凝胶电极比干电极能显著改善测量质量，减少界面阻抗波动。贴片在弯曲状态下（最多15°）仍保持信号稳定性，反射系数（S₁₁）的标准偏差小于2%，证实其机械可靠性。

Human subject study for wireless measurement of bioimpedance of skin

在10名人类受试者中，贴片成功测量了色素性病变（如痣）与健康皮肤的阻抗差异。病变区域显示出更高的平均电容（7.3 pF）和更低的平均电阻（4.5 kΩ），而健康皮肤则为较低的电容（3.8 pF）和较高的电阻（8.3 kΩ）。与Nevisense设备的对比结果一致，验证了贴片的有效性。

研究结论强调，这种无线、无电池、无芯片的贴片为黑色素瘤早期风险评估提供了一种非侵入性、低成本且易于使用的解决方案。其柔性设计使其能够贴合皮肤，适用于家庭和初级医疗场景，通过量化生物阻抗变化减少对主观视觉诊断的依赖。未来工作将集成导电水凝胶以进一步提升性能，并进行临床评估以验证其在体内区分恶性黑色素瘤的能力。该技术有望成为现有光学方法的重要补充，提升诊断准确性并优化临床决策流程。