传感器技术:曝光科学的关键前沿技术

我们从一个有用的思想实验开始:10年后暴露科学的状况如何?在考虑这个问题时,很难想象传感器技术不是一个重要的主题。我们相信,无论是现在还是将来,传感器技术都将继续定义曝光科学的前沿。

无障碍技术的迅速崛起以无数方式改善了人们的生活,从提高能源效率和舒适度的智能恒温器到配备无数传感器以支持自动驾驶的汽车以及介于两者之间的一切。作为暴露科学家和环境流行病学家,我们受到数据的驱动,为健康保护决策提供信息,现在可以收集这些技术来提供以前无法获得的信息来描述我们的环境。

传感器有四个相互交织的特性,共同确保了这项技术有可能在暴露科学的前沿发挥重要作用。这期特刊在《暴露科学与环境流行病学杂志》上题为“暴露科学的传感”,重点介绍了传感器的一些重要进展。

首先,传感器提供测量功能。虽然测量是暴露科学的生命线,但收集暴露测量值通常是资源密集型的——设备稀缺且昂贵,测量有时被认为过于侵入性,或者由于人类行为的复杂性而测量暴露根本不切实际[1]。但是,新的传感器技术已经缩短了其中的许多挑战,科学家们现在可以使用大量的传感器技术,这些技术提供了以前无法实现的空间、时间和行为分辨测量。

传感器技术:曝光科学的关键前沿技术

其次,传感器技术提供了个人测量的手段,即捕捉个人的时间和空间连续体。人类对个人测量的要求排除了使用大多数专为室外和室内监测而设计的传统测量仪器。个人测量需要满足与噪音、重量、磨损能力、外观和电池寿命相关的人类要求,以免成为阻碍或偏向人类受试者招募或改变行为,即霍桑效应。传感器技术“穿针引线”满足了个人监测的要求,从而实现了这种独特而有价值的个人暴露测量。

第三,传感器技术及其提供的测量具有广泛的消费者可用性和使用潜力。之所以存在这种潜力,是因为传感器通常相对便宜,而且它们提供的信息具有广泛的消费者吸引力。想象一下 Fitbit 的空气污染。制造商已经开发了许多针对消费者购买和使用量身定制的传感设备,包括互联网、网络和社交考虑,允许家人和朋友之间的比较和竞争。

第四,传感器技术将能够与医学内部发生的转变联系起来。这些转变包括个性化医疗、电子记录以及对环境在影响疾病方面的重要性的日益认识。医学界越来越意识到导致或加剧疾病的环境因素的重要性。哮喘[2]、慢性阻塞性肺病[3]和心血管疾病[4]就是最好的例子。我们离这些疾病的医学评估和治疗将包括环境传感器来跟踪症状和/或环境干预措施(如HEPA空气净化器)的那一天不远了。

暴露和相关科学需要为这个未来铺平道路。使用新型传感器来评估我们的世界的影响仍未完全理解,悬而未决的问题仍未得到解答。我们如何评估精度、准确性、可靠性和适用性?作为暴露或健康科学家,大量极端粒度的数据告诉我们什么?这些数据是否存在意想不到的伦理问题?这些问题具有警示意义,但也展示了诱人的可能性,因为传感器在使用和应用中继续普遍增长。

同时,传感器也带来了使暴露科学民主化的潜力。传感器技术正在为公众和公民科学家提供支持[5]。它们有可能揭示环境不公正现象,并提供支持数据以追究责任方的责任[6]。该技术具有可负担性、易用性和社会工程学。它有能力为用户提供数据,这些数据可以为减轻暴露行为提供信息,或作为相关州或地方政府机构倡导社区环境健康利益的基础[7]。

在本期中,我们看到了全球传感器使用和方法开发的广度和深度。它提供了传感器可以提供可操作数据的多种多样方法的可靠快照,从而实现健康保护变化。在本期特刊中,这些主题被分为四大类工作:传感器测量与健康终点之间的关联,表征个人的微环境,以及数据有限的两个评估领域——一个评估与交通相关的污染物,另一个评估清洁炉灶的功效和政策。

这些研究提供了对暴露的更复杂和细致的理解。传感器的多样化和灵活应用使我们能够以前所未有的方式研究疾病的因果关系。例如,传感器可以由个人在一天中佩戴,或者可以更容易地运送到没有测量基础设施的地方。因此,这些是高实用性的工具,可以调整和即兴创作到新的和令人兴奋的研究设计中。

与此同时,传感器的使用越来越多,这给暴露相关研究带来了新的问题,这些研究与环境流行病学建立了重要且经常被忽视的联系。例如,我们如何管理在流行病学更常用的较长时间平均当量上以 1 秒间隔收集的污染物的测量值?这种详细程度是否有助于理解疾病和因果关系,还是没有必要?传感器测量(通常精度和准确度较低)与来自参考监视器的更稳健的测量有何关系,即使该参考监视器可能远离所研究的环境?

这里发表的研究充分体现了暴露科学前沿的传感器技术。这些研究既证明了仍然存在的技术局限性,也为以创造性的方式回答新问题提供了可能性。本期特刊的结果说明了传感器技术的成功,对暴露科学做出了有意义的贡献。

当我们展望暴露科学的未来和宜居星球的挑战时,我们预计传感器技术将处于最前沿,在反馈回路中提供关键能力,以保护人类健康和环境。