體積更小、探測更深的植入物 為人體內(nèi)部監(jiān)測打開大門

時(shí)間:2021-09-08

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導(dǎo)語:電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信的進(jìn)步正在融合,為從內(nèi)部監(jiān)測人體開辟了一些令人興奮的可能性,從跟蹤骨科植入物狀態(tài)的傳感器到工作完成后就會溶解的氣體檢測設(shè)備。

  電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信的進(jìn)步正在融合,為從內(nèi)部監(jiān)測人體開辟了一些令人興奮的可能性,從跟蹤骨科植入物狀態(tài)的傳感器到工作完成后就會溶解的氣體檢測設(shè)備。加州大學(xué)伯克利分校的工程師們已經(jīng)展示了這種技術(shù)的新形式,可以用來檢測深層組織中的氧氣水平,希望它能成為追蹤移植器官健康狀況的工具,以及被應(yīng)用于其他方面。

  器官移植后血管并發(fā)癥可能導(dǎo)致移植器官缺血、功能障礙或丟失。成像方法可以提供對移植器官灌注的間歇性評估,但需要熟練的從業(yè)人員,并且不能直接評估移植器官內(nèi)的氧合作用?,F(xiàn)有的用于監(jiān)視組織氧合作用的系統(tǒng)受到有線連接需求的限制,無法提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或只能提供限于表面組織的數(shù)據(jù)。

  有鑒于此,美國加州大學(xué)伯克利分校的Michel M. Maharbiz、Soner Sonmezoglu等研究人員,利用毫米級超聲植入物監(jiān)測了深層組織的氧合作用。成果發(fā)表在Nature Biotechnology上。

  研究人員研發(fā)了一種用于監(jiān)測深層組織O2的微創(chuàng)系統(tǒng),該系統(tǒng)可提供從綿羊組織厘米級深度到離體豬組織10 cm深度的連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由毫米大小的無線超聲波供電可植入式O2傳感器和用于雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠渴瞻l(fā)器組成,可對手術(shù)或重癥監(jiān)護(hù)適應(yīng)癥患者進(jìn)行深層組織氧合作用監(jiān)測。

  開發(fā)這種微小的無線植入物是為了填補(bǔ)目前測量體內(nèi)組織含氧量的方法中的一個(gè)漏洞,其中一些方法涉及使用電磁波收集信息,但只能穿透皮下幾厘米。磁共振成像是另一種測量深層組織含氧量的方法,但需要一定的時(shí)間來執(zhí)行,而且無法提供實(shí)時(shí)結(jié)果。

  該團(tuán)隊(duì)的新植入物比瓢蟲還要小,它實(shí)際上是建立在早期創(chuàng)造的一種名為“神經(jīng)塵?!钡幕A(chǔ)上,這是一種微小的無線植入物,只有一粒沙子大小,可以實(shí)時(shí)跟蹤神經(jīng)信號和肌肉活動。它通過檢測神經(jīng)電活動中的電壓峰值,并通過超聲波將其傳遞給外部設(shè)備。最近的一個(gè)版本被稱為StimDust,能夠?qū)嶋H刺激神經(jīng),作為一種潛在的治療慢性疼痛和癲癇的方法。

  新的植入物長4.5毫米,寬3毫米,包含一個(gè)氧感應(yīng)薄膜、一個(gè)微型LED和一個(gè)光學(xué)過濾器,它們一起工作,以測量周圍組織的含氧量。這種傳感器通過一個(gè)集成電路進(jìn)行控制,輸出一個(gè)根據(jù)氧含量變化的電子信號。壓電晶體將這些電子信號轉(zhuǎn)換成超聲波,然后通過活體組織傳送到外部設(shè)備。

  “測量身體深處的東西非常困難,”加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Michel Maharbiz說,“該設(shè)備展示了如何使用超聲波技術(shù)加上非常聰明的集成電路設(shè)計(jì),你可以創(chuàng)建復(fù)雜的植入物,深入到組織中,從器官中獲取數(shù)據(jù)?!?/p>

  該研究的作者在活羊身上演示了該設(shè)備,并認(rèn)為它在兒科護(hù)理方面具有潛力,早產(chǎn)兒可以植入它,以確保他們被給予正確的補(bǔ)充氧氣量。其他的可能性包括監(jiān)測移植器官的健康狀況,甚至改善癌癥治療。

  “這種設(shè)備的一個(gè)潛在應(yīng)用是監(jiān)測器官移植,因?yàn)樵谄鞴僖浦埠蟮膸讉€(gè)月內(nèi),可能會發(fā)生血管并發(fā)癥,這些并發(fā)癥可能會導(dǎo)致移植功能障礙,”研究作者Soner Sonmezoglu說,“它也可以用來測量腫瘤缺氧,這可以幫助醫(yī)生指導(dǎo)癌癥放射治療?!?/p>

  科學(xué)家們希望進(jìn)一步改進(jìn)該裝置,既要使其能夠在體內(nèi)長期存在,又要使其體積更小,這將使植入更簡單。其他的可能性還包括調(diào)整傳感器的設(shè)計(jì),以追蹤體內(nèi)的其他生物化學(xué)成分。

  “只要改變我們?yōu)檠鯕鈧鞲衅鳂?gòu)建的這個(gè)平臺,你就可以修改設(shè)備來測量,例如pH值、活性氧物種、葡萄糖或二氧化碳,”Sonmezoglu說,“此外,如果我們能夠修改包裝,使其更小,你可以想象能夠用針頭注射到體內(nèi),或者通過腹腔鏡手術(shù),使植入更容易?!?/p>

  技術(shù)難題

  為了臨床上采用無線O2傳感系統(tǒng)來使用慢性體內(nèi)O2跟蹤,必須解決許多技術(shù)難題。

  第一個(gè)挑戰(zhàn)是通過外部收發(fā)器對植入物進(jìn)行定位,因?yàn)槭中g(shù)后的體內(nèi)位置可能會相對于任何外部基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生漂移。這種運(yùn)動可能是由于來自身體外部的壓力,運(yùn)動或呼吸以及疤痕形成而引起的??梢酝ㄟ^相控陣收發(fā)器實(shí)現(xiàn)每次pO2測量之前的體內(nèi)定位,該相控陣收發(fā)器首先使用US背向散射信息來查找,然后跟蹤與時(shí)間有關(guān)的植入物在體內(nèi)的位置。

  第二個(gè)挑戰(zhàn)是因?yàn)楫愘|(zhì)組織中不同的US傳播路徑之間由于吸收和散射引起的聲衰減會發(fā)生變化。具有較高衰減的路徑可能會大大降低系統(tǒng)功率傳輸效率和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。于此,具有能夠?qū)⒛芰烤劢沟街踩胛锷系木哂写罂讖?、多元素?fù)Q能器陣列的外部收發(fā)器將允許沿著優(yōu)選路徑操縱US光束。最后,相控陣列還可以潛在地用于以時(shí)分多路復(fù)用方式或同時(shí)詢問植入目標(biāo)組織不同位置的多個(gè)O2傳感器。

  最后,長期在體內(nèi)使用無線O2傳感器需要密封包裝,以防止生物流體滲透到電子傳感器組件和壓電晶體中。對于這項(xiàng)工作,研究人員使用生物相容性聚合物封裝植入物,因?yàn)樗鼈円子谟糜诩毙院桶肼詫?shí)驗(yàn)。眾所周知,這些厚的聚合物材料由于其高的水蒸氣滲透性而不適合長期體內(nèi)使用。

  這項(xiàng)工作提出了在立方毫米體積范圍內(nèi)完全可植入的光極的小型化,適用于深層組織的測量。盡管研究的重點(diǎn)是一種用于測量體內(nèi)O2張力的系統(tǒng),但基本的技術(shù)成就為微創(chuàng)脈搏血氧飽和度傳感器、pH傳感器和CO2傳感器等打開了大門。這些都體現(xiàn)在超微型深層組織系統(tǒng)中,將能夠進(jìn)行新的診斷。

  

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