華中科技大學、南洋理工大學：可注射超聲傳感器用于顱內生理信號監測

更新時間：2024-06-18

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當前，臨床上監測顱內壓等關鍵生理指標的技術，通常需要通過外科手術將有線傳感器植入患者顱內。這種方法存在一定風險，如術后感染和并發癥等。盡管現有的無線電子傳感器能夠在一定程度上降低這些風險，但由于它們的體積較大（例如，傳統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注射方式植入。此外，由于無線電子傳感器不能在體內自然降解，患者還需要進行二次手術來移除它們。因此，在臨床實踐中，這些無線傳感器也面臨著許多挑戰。

華中科技大學臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學陳曉東教授團隊攜手合作，研發出一種創新型可注射超聲凝膠傳感器。該傳感器有望克服傳統有線傳感器存在的感染風險和術后并發癥等問題，同時避免現有無線電子傳感器體積過大、無法體內降解等臨床應用挑戰。相關研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"為題在線發表于《Nature》雜志。

傳感器結構與制備：這種名為"超聲超凝膠"的傳感器是由雙網絡交聯的水凝膠基質和內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隊采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(nanoArch^® S140，精度：10 μm)加工模具后，經水凝膠翻模制備而成。經過計算機模擬結構優化，該特殊結構在8-10MHz頻段具有聲學帶隙，對入射超聲波有很強的反射能力。

圖1. 可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設計原理。(a)基于超聲反射的超凝膠無線顱內生理傳感器示意圖。(b)超凝膠樣品及穿刺針照片，比例尺2 mm。(c)超凝膠結構顯微鏡照片，比例尺500 μm。(d)照片顯示超凝膠浸泡在37度的PBS溶液中一個月后開始降解。(e)超凝膠工作原理示意圖。(f)變形導致超凝膠反射峰值頻率偏移示意圖。(g)超凝膠能帶結構圖。(h, i)帶隙中心頻率隨晶格常數(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：研究團隊設計了三種功能凝膠傳感器用于檢測不同參數。壓力凝膠采用雙交聯聚乙烯醇/羧甲基纖維素凝膠，靈敏度可達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：研究團隊提出了同步讀取多個凝膠傳感器的新方法。通過檢測各個凝膠的反射頻率變化，結合先進算法，可高效分離壓力、溫度、pH等多種因素的耦合影響，實現對復雜生理環境的全面監測。

圖2. 超凝膠超聲傳感器體外測試表征。(a)溫度及pH響應超凝膠示意圖。(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)超凝膠結構顯微鏡照片，比例尺500 μm。(c, d)超凝膠與純水凝膠超聲反射信號時域對比(c)與頻域對比(d)。(e)壓力超凝膠與商用壓差計壓力測試對比。(f)壓力超凝膠校準曲線。(g) 溫度超凝膠與商用溫度計溫度測試對比。(h) 溫度超凝膠校準曲線。(i) pH超凝膠與商用溫度計溫度測試對比。(j) pH超凝膠校準曲線。(k) 壓力超凝膠反映臨近血管模型內流速。

動物實驗結果：在大鼠和豬的動物實驗中，這一凝膠傳感系統展現出媲美商用有線臨床設備的檢測精度，且在耗能、無熱效應等方面表現出極大優勢。值得一提的是，在實驗豬體內，它甚至能檢測到微小的呼吸引起的顱內壓力細微波動(約1 mmHg)，而同步植入的有線壓力傳感器則無法監測到如此精細的變化。

圖3. 活體大鼠傳感實驗及生物相容性表征。(a)實驗裝置配置照片。(b)超凝膠植入在大鼠顱內的磁共振圖像，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壓探頭測試大鼠顱內壓力變化曲線。(e, f) 超凝膠與商用有線溫度探頭測試大鼠顱內溫度變化曲線。(g)超凝膠24天內多次監測大鼠顱內壓變化。(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期間炎癥情況。

圖4.實驗豬無線顱內壓原位監測。(a)實驗方案配置示意圖。(b)超凝膠及臨床有線顱內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位置。(e) 超凝膠、商用壓差計以及臨床顱內壓探頭測量豬顱內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壓隨呼吸起伏。(h) 超凝膠、商用壓差計以及臨床顱內壓探頭測量豬顱內壓隨呼吸變化曲線。臨床顱內壓探頭難以測量微小顱內壓變化。

總結：

該研究提出了一種創新型的植入式無線傳感技術，該技術基于超凝膠材料變形所引發的超聲波頻移效應，能夠精確地監測顱內各種生理參數，如顱內壓、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、多參數分離監測能力以及可生物降解特性上展現出明顯優勢。這項技術不僅有望應用于顱內生理參數的監測，還能夠擴展至人體其他部位的無創檢測，從而為多種疾病的預防和治療提供了新的技術支持。這種微型且可自然降解的傳感器通過微創注射即可使用，大幅提升了患者的就診便捷性，并為智能醫療健康領域的發展注入了新的活力。

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