華中科技大學(xué)、南洋理工大學(xué)：可注射超聲傳感器用于顱內(nèi)生理信號監(jiān)測

更新時(shí)間：2024-06-18

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當(dāng)前，臨床上監(jiān)測顱內(nèi)壓等關(guān)鍵生理指標(biāo)的技術(shù)，通常需要通過外科手術(shù)將有線傳感器植入患者顱內(nèi)。這種方法存在一定風(fēng)險(xiǎn)，如術(shù)后感染和并發(fā)癥等。盡管現(xiàn)有的無線電子傳感器能夠在一定程度上降低這些風(fēng)險(xiǎn)，但由于它們的體積較大（例如，傳統(tǒng)電子元件的截面積往往超過1平方厘米），因此不適合通過微創(chuàng)注射方式植入。此外，由于無線電子傳感器不能在體內(nèi)自然降解，患者還需要進(jìn)行二次手術(shù)來移除它們。因此，在臨床實(shí)踐中，這些無線傳感器也面臨著許多挑戰(zhàn)。

華中科技大學(xué)臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授團(tuán)隊(duì)攜手合作，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器。該傳感器有望克服傳統(tǒng)有線傳感器存在的感染風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)后并發(fā)癥等問題，同時(shí)避免現(xiàn)有無線電子傳感器體積過大、無法體內(nèi)降解等臨床應(yīng)用挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"為題在線發(fā)表于《Nature》雜志。

傳感器結(jié)構(gòu)與制備：這種名為"超聲超凝膠"的傳感器是由雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)和內(nèi)部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm³。這種可注射傳感器是研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch^® S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該特殊結(jié)構(gòu)在8-10MHz頻段具有聲學(xué)帶隙，對入射超聲波有很強(qiáng)的反射能力。

圖1. 可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設(shè)計(jì)原理。(a)基于超聲反射的超凝膠無線顱內(nèi)生理傳感器示意圖。(b)超凝膠樣品及穿刺針照片，比例尺2 mm。(c)超凝膠結(jié)構(gòu)顯微鏡照片，比例尺500 μm。(d)照片顯示超凝膠浸泡在37度的PBS溶液中一個(gè)月后開始降解。(e)超凝膠工作原理示意圖。(f)變形導(dǎo)致超凝膠反射峰值頻率偏移示意圖。(g)超凝膠能帶結(jié)構(gòu)圖。(h, i)帶隙中心頻率隨晶格常數(shù)(h)及占空比(i)變化曲線圖。(j, k)超凝膠變形前后聲場（仿真）分布。

多功能凝膠傳感器：研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三種功能凝膠傳感器用于檢測不同參數(shù)。壓力凝膠采用雙交聯(lián)聚乙烯醇/羧甲基纖維素凝膠，靈敏度可達(dá)5.7 kHz/mmHg，分辨率0.1 mmHg；溫度凝膠由溫敏性聚乙烯醇/聚丙烯酰胺凝膠構(gòu)成,溫度檢測范圍28-43℃，分辨率0.1℃，靈敏度80kHz/℃；pH凝膠則利用質(zhì)子化聚乙烯醇/殼聚糖凝膠，可檢測pH 2-8的范圍，分辨率0.5 pH單位，靈敏度256 kHz/pH單位。這些凝膠均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個(gè)月后可自然降解，無需再次開顱取出。

同步讀取與算法：研究團(tuán)隊(duì)提出了同步讀取多個(gè)凝膠傳感器的新方法。通過檢測各個(gè)凝膠的反射頻率變化，結(jié)合先進(jìn)算法，可高效分離壓力、溫度、pH等多種因素的耦合影響，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜生理環(huán)境的全面監(jiān)測。

圖2. 超凝膠超聲傳感器體外測試表征。(a)溫度及pH響應(yīng)超凝膠示意圖。(b)超凝膠及純水凝膠照片（頂部）與超聲圖像（底部），比例尺2 mm。(c)超凝膠結(jié)構(gòu)顯微鏡照片，比例尺500 μm。(c, d)超凝膠與純水凝膠超聲反射信號時(shí)域?qū)Ρ?c)與頻域?qū)Ρ?d)。(e)壓力超凝膠與商用壓差計(jì)壓力測試對比。(f)壓力超凝膠校準(zhǔn)曲線。(g) 溫度超凝膠與商用溫度計(jì)溫度測試對比。(h) 溫度超凝膠校準(zhǔn)曲線。(i) pH超凝膠與商用溫度計(jì)溫度測試對比。(j) pH超凝膠校準(zhǔn)曲線。(k) 壓力超凝膠反映臨近血管模型內(nèi)流速。

動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在大鼠和豬的動物實(shí)驗(yàn)中，這一凝膠傳感系統(tǒng)展現(xiàn)出媲美商用有線臨床設(shè)備的檢測精度，且在耗能、無熱效應(yīng)等方面表現(xiàn)出極大優(yōu)勢。值得一提的是，在實(shí)驗(yàn)豬體內(nèi)，它甚至能檢測到微小的呼吸引起的顱內(nèi)壓力細(xì)微波動(約1 mmHg)，而同步植入的有線壓力傳感器則無法監(jiān)測到如此精細(xì)的變化。

圖3. 活體大鼠傳感實(shí)驗(yàn)及生物相容性表征。(a)實(shí)驗(yàn)裝置配置照片。(b)超凝膠植入在大鼠顱內(nèi)的磁共振圖像，比例尺2 mm。(c)大鼠佩戴外部超聲探頭照片。(d)超凝膠與臨床有線顱內(nèi)壓探頭測試大鼠顱內(nèi)壓力變化曲線。(e, f) 超凝膠與商用有線溫度探頭測試大鼠顱內(nèi)溫度變化曲線。(g)超凝膠24天內(nèi)多次監(jiān)測大鼠顱內(nèi)壓變化。(h) H&E染色腦組織切片照片顯示超凝膠降解過程。(i) 免疫熒光染色照片顯示超凝膠存續(xù)期間炎癥情況。

圖4.實(shí)驗(yàn)豬無線顱內(nèi)壓原位監(jiān)測。(a)實(shí)驗(yàn)方案配置示意圖。(b)超凝膠及臨床有線顱內(nèi)壓探頭植入后豬頭部照片。(c) 豬腰椎穿刺位置照片。(d)超聲圖像照片顯示超凝膠植入豬顱內(nèi)位置。(e) 超凝膠、商用壓差計(jì)以及臨床顱內(nèi)壓探頭測量豬顱內(nèi)壓隨腰椎注射生理鹽水變化曲線。(f)體積測試管液面高度照片顯示豬顱內(nèi)壓隨呼吸起伏。(h) 超凝膠、商用壓差計(jì)以及臨床顱內(nèi)壓探頭測量豬顱內(nèi)壓隨呼吸變化曲線。臨床顱內(nèi)壓探頭難以測量微小顱內(nèi)壓變化。

總結(jié)：

該研究提出了一種創(chuàng)新型的植入式無線傳感技術(shù)，該技術(shù)基于超凝膠材料變形所引發(fā)的超聲波頻移效應(yīng)，能夠精確地監(jiān)測顱內(nèi)各種生理參數(shù)，如顱內(nèi)壓、溫度、pH值以及血液流速等。相較于目前市場上的植入式傳感器，超凝膠傳感器在尺寸、多參數(shù)分離監(jiān)測能力以及可生物降解特性上展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。這項(xiàng)技術(shù)不僅有望應(yīng)用于顱內(nèi)生理參數(shù)的監(jiān)測，還能夠擴(kuò)展至人體其他部位的無創(chuàng)檢測，從而為多種疾病的預(yù)防和治療提供了新的技術(shù)支持。這種微型且可自然降解的傳感器通過微創(chuàng)注射即可使用，大幅提升了患者的就診便捷性，并為智能醫(yī)療健康領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。

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華中科技大學(xué)、南洋理工大學(xué)：可注射超聲傳感器用于顱內(nèi)生理信號監(jiān)測