通过植入式无线生物传感器来监测脑血流

研究人员创造了一种新的医疗传感器，有望彻底改变医生治疗脑动脉瘤的能力。该设备是无电池的，是带有电感器的电容式传感器。它可以直接植入患者的大脑中，而且奇怪的是，这比医学界今天使用的最常见治疗方法的侵入性要小得多。

乔治亚理工学院的 Robert Herbert 和 Woon-Hong Yeo 在最近一期的Advanced Science中描述了该设备。这项工作是与佐治亚理工学院和韩国汉阳大学的同事一起完成的。

生物医学传感器的小型化与高效的无线协议相结合，催生了新一代的医学传感器，对医疗保健行业产生了深远的影响。甚至听诊器也在获得革命性的更新，以更好地帮助管理健康信息。

最新的微电子技术特别有利于植入式解决方案，帮助它们成为可扩展的生物传感器。该行业正在崛起，以应对涉及无线监控能力、可靠性和生产可扩展性的技术挑战。它们还使用与组织和血管更相容的新材料制造。

Georgie Tech 传感器受益于这些进步。该传感器被植入人脑的血管中，从而帮助医生评估任何可能导致患者死亡的异常情况。该传感器由生物相容性聚酰亚胺、由银纳米粒子形成的两层、电介质和软聚合物封装材料组成。线圈通过位于体外的另一个设备收集的电磁能供电。植入传感器的容量会根据血液流动而变化，从而改变位于体外的第三个线圈的输出信号。该设备可以检测到每秒仅 0.05 毫升 (m/s) 的血流变化。

在实验室中，在距离植入肉体以刺激脑组织的传感器 6 厘米处测量容量变化。

该传感器使用电感耦合来无线检测脑动脉瘤的仿生血流动力学。研究人员表示，该传感器很容易通过 3D 气溶胶喷射打印在弹性基材上形成导电银迹线，从而降低成本并加速生产。该技术允许在不使用传统光刻工艺的情况下创建非常小的电子功能，从而获得适用于微医学领域植入物的微电子结构。

目前，脑动脉瘤的愈合是通过重复的血管造影成像来监测的，这需要给患者注射成像染料；该过程被认为对患者来说风险很大。使用新传感器可以在不使用成像染料的情况下进行更有效的评估。

佐治亚理工学院 George W. Woodruff 机械工程学院的助理教授 Yeo 说：“我们传感器的美妙之处在于它可以无缝集成到临床医生已经用于治疗动脉瘤的医疗支架或分流器中。”

该传感器结合了一个 LC 电路（电容 C 和传感器的线圈 L），从而形成一个频率与 f = 1 / (2π√LC) 成正比的谐振电路。相对于观察阻抗变化的频域方法，这种读取方法已被证明可以达到更长的读取距离（图 1）。

图 1：具有植入式流量传感器和两个外部天线线圈的无电池无线系统的示意图和设备概览 [来源：Advance Science ]

该团队的分析和实验研究已经确定了正确优化测量的电气特性。传感器的品质因数、耦合系数和传输系数之间的相关性定义了直径为 100 µm 量级的线圈的绕组数的临界值，以达到高效率。44-53 绕组和 30 毫米长的线圈允许更长的读取距离。所得线圈的电感介于 1.5 和 1.9 µH 之间，对于大约 40/50 绕组，平均感应功率约为 1.2 mW。

这些测试使用 150 到 220 pF 的容量来获得 10.2 到 12.2 MHz 之间的低谐振频率。改变传感器容量不会影响感应功率，但会降低品质因数，从而产生不太明显的谐振峰值。

这种类型的透皮传感器可以应用于皮肤以监测各种医学参数，如果控制得当，可以帮助治愈疾病。医疗设备通常结合了微电子和微机械，实际上代表了一个完美的 MEMS。他们还可以监测血糖和血压，治疗慢性疼痛，甚至给药。