一粒神奇的“芝麻”內(nèi)藏乾坤，注射到人體內(nèi)部就能把精確生理參數(shù)“告訴”醫(yī)生。它就是可注射超凝膠超聲傳感器。這項發(fā)明誕生于我校集成電路學(xué)院、武漢光電國家研究中心臧劍鋒教授團隊。

圖為臧劍鋒教授團隊

6月5日，國際頂尖期刊《自然》刊發(fā)了此項創(chuàng)新性醫(yī)工交叉研究成果，題為“面向顱內(nèi)生理監(jiān)測的可注射超聲傳感器”(Injectable ultrasonic sensor for wirelessmonitoring of intracranial signals)。第一作者為集成電路學(xué)院博士后唐瀚川、博士生楊月瑩，附屬協(xié)和醫(yī)院博士生劉禎；通訊作者為臧劍鋒教授、新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授、附屬協(xié)和醫(yī)院姜曉兵教授。集成電路學(xué)院為論文第一完成單位。

生理參數(shù)是衡量人體生理狀態(tài)的指標(biāo)，可以幫助醫(yī)生進行疾病診斷、治療和檢測。如何安全、穩(wěn)定獲取人體內(nèi)部精確的生理參數(shù)一直是醫(yī)學(xué)監(jiān)測領(lǐng)域的重點。目前,臨床獲取顱內(nèi)壓力、溫度等數(shù)據(jù)的主要途徑是將有線且不可降解的電子探針經(jīng)手術(shù)方式植入體內(nèi)。為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，細(xì)長、堅硬的探針往往需要深入體內(nèi)幾厘米到十幾厘米。這種探針無法自行降解需再次手術(shù)取出，不但給患者帶來植入及去除的多次痛苦，還存在感染等并發(fā)癥風(fēng)險。

圖為可注射超凝膠超聲傳感器

圖為可注射超凝膠超聲傳感器工作原理

“我們發(fā)明的可注射超凝膠超聲傳感器采用先進的聲學(xué)超材料技術(shù)，大小只有2×2×2mm3，就像芝麻那么大。它體積微小，可被安全注射進入人體內(nèi)部，通過外部超聲探頭就可以無線監(jiān)測顱內(nèi)壓力、溫度、pH等生理參數(shù)變化?！标皠︿h介紹說。值得一提的是，這種全新的傳感器所采用的均為生物可降解聚合物材料，約1個月后就會在體內(nèi)自行降解，無需再次開刀取出，不但減輕了患者痛苦更極大降低了感染風(fēng)險。

這種微型傳感器的核心在于其獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。研究人員在可降解水凝膠基質(zhì)內(nèi)部人工構(gòu)筑了具有周期性排列的空氣孔道結(jié)構(gòu)。當(dāng)外部環(huán)境如壓力、溫度、pH值等發(fā)生變化時，凝膠內(nèi)部會產(chǎn)生微小形變，從而引起反射聲波頻率發(fā)生可測量的偏移。精確檢測這種頻率變化，即可獲取顱內(nèi)壓力、溫度、pH值以及血流流速等多種生理參數(shù)。他們還提出了一種創(chuàng)新算法，通過同步分析多個傳感器的頻率變化數(shù)據(jù)，可高效分離壓力、溫度、pH值等多種因素的耦合影響，從而實現(xiàn)對復(fù)雜生理環(huán)境的全面感知。

據(jù)悉，與現(xiàn)有商業(yè)化有線監(jiān)測設(shè)備相比，可注射超凝膠超聲傳感器甚至能夠檢測到人體微小的生理波動，如呼吸運動引起的細(xì)微顱壓變化等，并在能耗、無熱效應(yīng)等方面表現(xiàn)出極大優(yōu)勢。未來，這種傳感器還可應(yīng)用于人體其他部位，有望為臨床智能診療帶來全新的技術(shù)范式。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07334-y

來源：華中科技大學(xué)