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當前位置：首頁技術(shu)文(wen)章(zhang)華(hua)中科技大學、南(nan)洋理工(gong)大學：可註(zhu)射(she)超聲傳(chuan)感(gan)器用(yong)於(yu)顱(lu)內生(sheng)理信號監(jian)測

華中(zhong)科技大學、南(nan)洋理工(gong)大學：可註(zhu)射(she)超聲傳(chuan)感(gan)器用(yong)於(yu)顱(lu)內生(sheng)理信號監(jian)測

更(geng)新(xin)時(shi)間(jian)：2024-06-18

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當前，臨(lin)床(chuang)上監(jian)測顱(lu)內壓(ya)等關(guan)鍵生(sheng)理指(zhi)標(biao)的技術(shu)，通(tong)常(chang)需要(yao)通(tong)過外(wai)科手術(shu)將(jiang)有線(xian)傳(chuan)感(gan)器植入患(huan)者顱(lu)內。這(zhe)種方(fang)法存在壹(yi)定風險(xian)，如術(shu)後(hou)感(gan)染(ran)和(he)並(bing)發(fa)癥等。盡(jin)管(guan)現(xian)有的無線(xian)電(dian)子(zi)傳(chuan)感(gan)器能夠在(zai)壹(yi)定程度上降(jiang)低(di)這(zhe)些風險(xian)，但由(you)於(yu)它(ta)們的(de)體積較(jiao)大（例如，傳(chuan)統(tong)電(dian)子(zi)元件的(de)截面積往(wang)往超過1平方(fang)厘米），因(yin)此不(bu)適(shi)合(he)通(tong)過微創註(zhu)射(she)方(fang)式植入。此外(wai)，由(you)於(yu)無(wu)線(xian)電(dian)子(zi)傳(chuan)感(gan)器不(bu)能在體(ti)內(nei)自(zi)然降(jiang)解(jie)，患(huan)者還(hai)需要(yao)進(jin)行二次手術(shu)來(lai)移除(chu)它(ta)們。因(yin)此，在(zai)臨(lin)床(chuang)實(shi)踐(jian)中(zhong)，這(zhe)些無線(xian)傳(chuan)感(gan)器也面臨(lin)著許多挑(tiao)戰(zhan)。

華(hua)中(zhong)科技大學臧劍(jian)鋒(feng)教授、姜曉兵(bing)教授以(yi)及(ji)新(xin)加(jia)坡南(nan)洋理工(gong)大學陳曉東(dong)教授團隊(dui)攜手(shou)合(he)作(zuo)，研發(fa)出(chu)壹種創新(xin)型可註(zhu)射(she)超聲凝(ning)膠(jiao)傳(chuan)感(gan)器。該(gai)傳(chuan)感(gan)器有望(wang)克(ke)服傳(chuan)統(tong)有線(xian)傳(chuan)感(gan)器存在的(de)感(gan)染(ran)風(feng)險(xian)和(he)術(shu)後(hou)並(bing)發(fa)癥等問題，同(tong)時(shi)避免現有無線(xian)電(dian)子(zi)傳(chuan)感(gan)器體(ti)積過大、無法體(ti)內(nei)降(jiang)解(jie)等(deng)臨(lin)床(chuang)應用(yong)挑(tiao)戰(zhan)。相關(guan)研究成果以(yi)"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"為(wei)題在(zai)線(xian)發(fa)表(biao)於(yu)《Nature》雜(za)誌(zhi)。

傳(chuan)感(gan)器結構與(yu)制備(bei)：這(zhe)種名(ming)為"超聲超凝(ning)膠(jiao)"的傳(chuan)感(gan)器是(shi)由(you)雙(shuang)網(wang)絡交(jiao)聯的(de)水凝(ning)膠(jiao)基(ji)質(zhi)和(he)內(nei)部(bu)周期(qi)性(xing)排(pai)列(lie)的空氣孔道(dao)組成(cheng)，體積僅(jin)為2×2×2mm^³。這(zhe)種可註(zhu)射(she)傳(chuan)感(gan)器是(shi)研究團隊(dui)采用(yong)摩(mo)方(fang)精(jing)密面(mian)投(tou)影微(wei)立(li)體(ti)光(guang)刻(PμSL)3D打印(yin)技術(shu)(nanoArch^® S140，精(jing)度：10 μm)加工(gong)模(mo)具(ju)後(hou)，經(jing)水(shui)凝(ning)膠(jiao)翻模(mo)制備(bei)而(er)成。經(jing)過計算(suan)機模(mo)擬(ni)結構優化，該(gai)特(te)殊(shu)結構在8-10MHz頻(pin)段(duan)具(ju)有聲學帶隙，對(dui)入(ru)射(she)超聲波有很(hen)強的(de)反(fan)射(she)能力。

圖(tu)1. 可註(zhu)射(she)、可降(jiang)解(jie)的(de)超凝(ning)膠(jiao)超聲傳(chuan)感(gan)器設(she)計(ji)原理。(a)基(ji)於(yu)超聲反(fan)射(she)的超凝(ning)膠(jiao)無線(xian)顱(lu)內生(sheng)理傳(chuan)感(gan)器示(shi)意(yi)圖。(b)超凝(ning)膠(jiao)樣品(pin)及穿刺(ci)針照片(pian)，比例(li)尺(chi)2 mm。(c)超凝(ning)膠(jiao)結構顯微(wei)鏡(jing)照(zhao)片(pian)，比例(li)尺(chi)500 μm。(d)照片(pian)顯示(shi)超凝(ning)膠(jiao)浸泡(pao)在37度的PBS溶(rong)液(ye)中壹(yi)個(ge)月(yue)後(hou)開(kai)始降(jiang)解(jie)。(e)超凝(ning)膠(jiao)工(gong)作(zuo)原理示(shi)意(yi)圖。(f)變(bian)形導(dao)致(zhi)超凝(ning)膠(jiao)反(fan)射(she)峰值(zhi)頻率偏(pian)移示(shi)意(yi)圖。(g)超凝(ning)膠(jiao)能帶結構圖。(h, i)帶隙中心(xin)頻(pin)率隨(sui)晶(jing)格常(chang)數(shu)(h)及(ji)占(zhan)空比(i)變(bian)化曲(qu)線(xian)圖。(j, k)超凝(ning)膠(jiao)變形前(qian)後(hou)聲(sheng)場(chang)（仿(fang)真）分(fen)布。

多功(gong)能凝(ning)膠(jiao)傳(chuan)感(gan)器：研究團隊(dui)設計(ji)了三(san)種功(gong)能凝(ning)膠(jiao)傳(chuan)感(gan)器用(yong)於(yu)檢測不同(tong)參數(shu)。壓(ya)力凝(ning)膠(jiao)采用(yong)雙(shuang)交(jiao)聯聚(ju)乙烯(xi)醇/羧甲(jia)基(ji)纖(xian)維素凝(ning)膠(jiao)，靈敏(min)度可達(da)5.7 kHz/mmHg，分(fen)辨(bian)率0.1 mmHg；溫(wen)度凝(ning)膠(jiao)由(you)溫(wen)敏(min)性(xing)聚(ju)乙烯(xi)醇/聚(ju)丙(bing)烯(xi)酰(xian)胺(an)凝(ning)膠(jiao)構成,溫(wen)度檢測範圍28-43℃，分辨率0.1℃，靈敏(min)度80kHz/℃；pH凝(ning)膠(jiao)則(ze)利(li)用(yong)質(zhi)子化聚(ju)乙烯(xi)醇/殼(ke)聚(ju)糖(tang)凝(ning)膠(jiao)，可檢測pH 2-8的範圍，分辨率0.5 pH單位，靈敏(min)度256 kHz/pH單位。這(zhe)些凝(ning)膠(jiao)均采用(yong)生(sheng)物相容(rong)性(xing)且可降(jiang)解(jie)材(cai)料(liao)制成(cheng)，註(zhu)射(she)入體約(yue)1個(ge)月(yue)後(hou)可自(zi)然降(jiang)解(jie)，無(wu)需(xu)再次開(kai)顱(lu)取(qu)出(chu)。

同步讀取(qu)與(yu)算(suan)法：研究團隊(dui)提出(chu)了同(tong)步讀取(qu)多個(ge)凝(ning)膠(jiao)傳(chuan)感(gan)器的(de)新(xin)方(fang)法。通(tong)過檢測各(ge)個(ge)凝(ning)膠(jiao)的反(fan)射(she)頻率變化，結合(he)先(xian)進(jin)算(suan)法，可高效分(fen)離(li)壓(ya)力、溫(wen)度、pH等多種因(yin)素的(de)耦合(he)影(ying)響(xiang)，實(shi)現(xian)對(dui)復(fu)雜(za)生(sheng)理環(huan)境(jing)的(de)全(quan)面監(jian)測。

圖2. 超凝(ning)膠(jiao)超聲傳(chuan)感(gan)器體(ti)外(wai)測試表(biao)征。(a)溫(wen)度及pH響(xiang)應超凝(ning)膠(jiao)示(shi)意(yi)圖。(b)超凝(ning)膠(jiao)及純(chun)水凝(ning)膠(jiao)照片(pian)（頂部(bu)）與(yu)超聲圖像(xiang)（底部(bu)），比例(li)尺(chi)2 mm。(c)超凝(ning)膠(jiao)結構顯微(wei)鏡(jing)照(zhao)片(pian)，比例(li)尺(chi)500 μm。(c, d)超凝(ning)膠(jiao)與(yu)純(chun)水(shui)凝(ning)膠(jiao)超聲反(fan)射(she)信號時(shi)域(yu)對(dui)比(c)與(yu)頻(pin)域(yu)對(dui)比(d)。(e)壓(ya)力超凝(ning)膠(jiao)與(yu)商用(yong)壓(ya)差(cha)計壓(ya)力測試對(dui)比。(f)壓(ya)力超凝(ning)膠(jiao)校準(zhun)曲(qu)線(xian)。(g) 溫(wen)度超凝(ning)膠(jiao)與(yu)商用(yong)溫(wen)度計溫(wen)度測試對(dui)比。(h) 溫(wen)度超凝(ning)膠(jiao)校準(zhun)曲(qu)線(xian)。(i) pH超凝(ning)膠(jiao)與(yu)商用(yong)溫(wen)度計溫(wen)度測試對(dui)比。(j) pH超凝(ning)膠(jiao)校準(zhun)曲(qu)線(xian)。(k) 壓(ya)力超凝(ning)膠(jiao)反(fan)映(ying)臨(lin)近血管(guan)模(mo)型內(nei)流(liu)速。

動(dong)物(wu)實(shi)驗(yan)結果：在(zai)大鼠和(he)豬的動(dong)物(wu)實(shi)驗(yan)中(zhong)，這(zhe)壹凝(ning)膠(jiao)傳(chuan)感(gan)系(xi)統展現出(chu)媲(pi)美(mei)商用(yong)有線(xian)臨床(chuang)設備(bei)的檢測精(jing)度，且在(zai)耗能、無熱(re)效應等(deng)方(fang)面表(biao)現(xian)出(chu)極大優勢(shi)。值(zhi)得壹(yi)提(ti)的(de)是(shi)，在實(shi)驗(yan)豬體內，它(ta)甚至(zhi)能檢測到微(wei)小的呼(hu)吸(xi)引(yin)起(qi)的(de)顱(lu)內壓(ya)力細微波(bo)動(dong)(約(yue)1 mmHg)，而(er)同步植入的有線(xian)壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器則(ze)無法(fa)監(jian)測到如此精(jing)細的變(bian)化。

圖3. 活(huo)體(ti)大鼠傳(chuan)感(gan)實(shi)驗(yan)及(ji)生(sheng)物相容(rong)性(xing)表(biao)征。(a)實(shi)驗(yan)裝(zhuang)置配(pei)置照片。(b)超凝(ning)膠(jiao)植入在大鼠顱(lu)內的(de)磁(ci)共(gong)振(zhen)圖像(xiang)，比例(li)尺(chi)2 mm。(c)大鼠佩戴(dai)外(wai)部(bu)超聲探頭(tou)照片。(d)超凝(ning)膠(jiao)與(yu)臨(lin)床(chuang)有線(xian)顱(lu)內壓(ya)探頭(tou)測試大鼠顱(lu)內壓(ya)力變(bian)化曲(qu)線(xian)。(e, f) 超凝(ning)膠(jiao)與(yu)商用(yong)有線(xian)溫(wen)度探頭(tou)測試大鼠顱(lu)內溫(wen)度變化曲(qu)線(xian)。(g)超凝(ning)膠(jiao)24天內(nei)多次監(jian)測大鼠顱(lu)內壓(ya)變化。(h) H&E染(ran)色(se)腦組(zu)織(zhi)切片(pian)照片(pian)顯示(shi)超凝(ning)膠(jiao)降(jiang)解(jie)過程。(i) 免疫熒(ying)光(guang)染(ran)色(se)照片(pian)顯示(shi)超凝(ning)膠(jiao)存續(xu)期(qi)間(jian)炎(yan)癥情況(kuang)。

圖(tu)4.實(shi)驗(yan)豬無線(xian)顱(lu)內壓(ya)原位監(jian)測。(a)實(shi)驗(yan)方(fang)案配(pei)置示(shi)意(yi)圖。(b)超凝(ning)膠(jiao)及臨(lin)床(chuang)有線(xian)顱(lu)內壓(ya)探頭(tou)植入後(hou)豬頭(tou)部(bu)照片。(c) 豬腰椎穿刺(ci)位置照片。(d)超聲圖像(xiang)照(zhao)片(pian)顯(xian)示(shi)超凝(ning)膠(jiao)植入豬顱(lu)內位置。(e) 超凝(ning)膠(jiao)、商用(yong)壓(ya)差(cha)計以(yi)及(ji)臨(lin)床(chuang)顱(lu)內壓(ya)探頭(tou)測量豬顱(lu)內壓(ya)隨(sui)腰椎註(zhu)射(she)生(sheng)理鹽(yan)水變(bian)化曲(qu)線(xian)。(f)體積測試管(guan)液(ye)面高度照片(pian)顯示(shi)豬顱(lu)內壓(ya)隨(sui)呼(hu)吸(xi)起伏(fu)。(h) 超凝(ning)膠(jiao)、商用(yong)壓(ya)差(cha)計以(yi)及(ji)臨(lin)床(chuang)顱(lu)內壓(ya)探頭(tou)測量豬顱(lu)內壓(ya)隨(sui)呼(hu)吸(xi)變化曲(qu)線(xian)。臨床(chuang)顱(lu)內壓(ya)探頭(tou)難以(yi)測量微(wei)小顱(lu)內壓(ya)變化。

總結：

該(gai)研究提出(chu)了壹(yi)種創新(xin)型的(de)植入式無線(xian)傳(chuan)感(gan)技術(shu)，該(gai)技術(shu)基(ji)於(yu)超凝(ning)膠(jiao)材料(liao)變形所(suo)引(yin)發(fa)的超聲波頻移效應，能夠精(jing)確(que)地監(jian)測顱(lu)內各(ge)種生(sheng)理參數(shu)，如顱(lu)內壓(ya)、溫(wen)度、pH值(zhi)以(yi)及(ji)血(xue)液(ye)流速等(deng)。相較(jiao)於(yu)目(mu)前(qian)市場(chang)上的植入式傳(chuan)感(gan)器，超凝(ning)膠(jiao)傳(chuan)感(gan)器在(zai)尺(chi)寸、多參數(shu)分(fen)離(li)監(jian)測能力以(yi)及(ji)可生(sheng)物降(jiang)解(jie)特(te)性(xing)上展現出(chu)明顯(xian)優勢(shi)。這(zhe)項技術(shu)不(bu)僅有望(wang)應用(yong)於(yu)顱(lu)內生(sheng)理參數(shu)的(de)監(jian)測，還能夠擴展至(zhi)人體(ti)其(qi)他(ta)部(bu)位的無(wu)創檢測，從而(er)為多種疾病的預(yu)防和(he)治(zhi)療(liao)提(ti)供(gong)了新(xin)的(de)技術(shu)支(zhi)持(chi)。這(zhe)種微型且可自(zi)然降(jiang)解(jie)的(de)傳(chuan)感(gan)器通(tong)過微創註(zhu)射(she)即可使用(yong)，大幅提升(sheng)了患(huan)者的(de)就診(zhen)便(bian)捷(jie)性(xing)，並(bing)為智(zhi)能醫療(liao)健(jian)康(kang)領(ling)域(yu)的(de)發(fa)展註(zhu)入了新(xin)的(de)活力(li)。