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体积更小、探测更深的植入物 为人体内部监测打开大门

来源:荣格-《医疗设备商情》     发布时间:2021-09-02
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电子技术、传感器技术和无线通信的进步正在融合,为从内部监测人体开辟了一些令人兴奋的可能性,从跟踪骨科植入物状态的传感器到工作完成后就会溶解的气体检测设备。加州大学伯克利分校的工程师们已经展示了这种技术的新形式,可以用来检测深层组织中的氧气水平,希望它能成为追踪移植器官健康状况的工具,以及被应用于其他方面。

器官移植后血管并发症可能导致移植器官缺血、功能障碍或丢失。成像方法可以提供对移植器官灌注的间歇性评估,但需要熟练的从业人员,并且不能直接评估移植器官内的氧合作用。现有的用于监视组织氧合作用的系统受到有线连接需求的限制,无法提供实时数据或只能提供限于表面组织的数据。


有鉴于此,美国加州大学伯克利分校的Michel M. Maharbiz、Soner Sonmezoglu等研究人员,利用毫米级超声植入物监测了深层组织的氧合作用。成果发表在Nature Biotechnology上。


研究人员研发了一种用于监测深层组织O2的微创系统,该系统可提供从绵羊组织厘米级深度到离体猪组织10 cm深度的连续实时数据。该系统由毫米大小的无线超声波供电可植入式O2传感器和用于双向数据传输的外部收发器组成,可对手术或重症监护适应症患者进行深层组织氧合作用监测。


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开发这种微小的无线植入物是为了填补目前测量体内组织含氧量的方法中的一个漏洞,其中一些方法涉及使用电磁波收集信息,但只能穿透皮下几厘米。磁共振成像是另一种测量深层组织含氧量的方法,但需要一定的时间来执行,而且无法提供实时结果。


该团队的新植入物比瓢虫还要小,它实际上是建立在早期创造的一种名为“神经尘埃”的基础上,这是一种微小的无线植入物,只有一粒沙子大小,可以实时跟踪神经信号和肌肉活动。它通过检测神经电活动中的电压峰值,并通过超声波将其传递给外部设备。最近的一个版本被称为StimDust,能够实际刺激神经,作为一种潜在的治疗慢性疼痛和癫痫的方法。


新的植入物长4.5毫米,宽3毫米,包含一个氧感应薄膜、一个微型LED和一个光学过滤器,它们一起工作,以测量周围组织的含氧量。这种传感器通过一个集成电路进行控制,输出一个根据氧含量变化的电子信号。压电晶体将这些电子信号转换成超声波,然后通过活体组织传送到外部设备。


“测量身体深处的东西非常困难,”加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授Michel Maharbiz说,“该设备展示了如何使用超声波技术加上非常聪明的集成电路设计,你可以创建复杂的植入物,深入到组织中,从器官中获取数据。”


该研究的作者在活羊身上演示了该设备,并认为它在儿科护理方面具有潜力,早产儿可以植入它,以确保他们被给予正确的补充氧气量。其他的可能性包括监测移植器官的健康状况,甚至改善癌症治疗。
“这种设备的一个潜在应用是监测器官移植,因为在器官移植后的几个月内,可能会发生血管并发症,这些并发症可能会导致移植功能障碍,”研究作者Soner Sonmezoglu说,“它也可以用来测量肿瘤缺氧,这可以帮助医生指导癌症放射治疗。”


科学家们希望进一步改进该装置,既要使其能够在体内长期存在,又要使其体积更小,这将使植入更简单。其他的可能性还包括调整传感器的设计,以追踪体内的其他生物化学成分。


“只要改变我们为氧气传感器构建的这个平台,你就可以修改设备来测量,例如pH值、活性氧物种、葡萄糖或二氧化碳,”Sonmezoglu说,“此外,如果我们能够修改包装,使其更小,你可以想象能够用针头注射到体内,或者通过腹腔镜手术,使植入更容易。”

技术难题


为了临床上采用无线O2传感系统来使用慢性体内O2跟踪,必须解决许多技术难题。
第一个挑战是通过外部收发器对植入物进行定位,因为手术后的体内位置可能会相对于任何外部基准点发生漂移。这种运动可能是由于来自身体外部的压力,运动或呼吸以及疤痕形成而引起的。可以通过相控阵收发器实现每次pO2测量之前的体内定位,该相控阵收发器首先使用US背向散射信息来查找,然后跟踪与时间有关的植入物在体内的位置。


第二个挑战是因为异质组织中不同的US传播路径之间由于吸收和散射引起的声衰减会发生变化。具有较高衰减的路径可能会大大降低系统功率传输效率和数据传输可靠性。于此,具有能够将能量聚焦到植入物上的具有大孔径、多元素换能器阵列的外部收发器将允许沿着优选路径操纵US光束。最后,相控阵列还可以潜在地用于以时分多路复用方式或同时询问植入目标组织不同位置的多个O2传感器。


最后,长期在体内使用无线O2传感器需要密封包装,以防止生物流体渗透到电子传感器组件和压电晶体中。对于这项工作,研究人员使用生物相容性聚合物封装植入物,因为它们易于用于急性和半慢性实验。众所周知,这些厚的聚合物材料由于其高的水蒸气渗透性而不适合长期体内使用。


这项工作提出了在立方毫米体积范围内完全可植入的光极的小型化,适用于深层组织的测量。尽管研究的重点是一种用于测量体内O2张力的系统,但基本的技术成就为微创脉搏血氧饱和度传感器、pH传感器和CO2传感器等打开了大门。这些都体现在超微型深层组织系统中,将能够进行新的诊断。


来源:荣格-《医疗设备商情》


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