微型化磁机械谐振传感器用于微创医疗和健康监测

  在寻常的活检中，医生需要寻找你的组织，在你的身体里“挖呀挖呀挖，找呀找呀找”。如果有一种技术，可以让活检针头准确地到达目的地，岂不是可以少受很多罪？ 近日，来自德国汉堡飞利浦实验室的科学家Jürgen Rahmer及其团队设计了一个平台，通过将现有技术与尺寸约为1立方毫米的微型化传感器相结合，使其应用于微创医疗或患者监测等方面。该研究以“Miniature magneto-mechanical resonators for wireless tracking and sensing”为题发表在权威期刊Science上。

图|（来源：Science）

什么是传感器？

“传感器”，听起来高大上的名词，却存在我们生活的方方面面，例如烟雾报警器、自动开关门、照相机、电子称等。 所以，传感器其实就是一种检测装置，可以感受到被检测的信息，并将检测到的信息按一定规律转换为其他信号。比如电子称感受到了你的压力，于是压力施加给传感器，该传感器的变化引起阻抗的变化，从而引起电信号的变化，电信号经过处理后输出为可视化的数字。 随着技术的发展，传感器也逐渐应用到医疗检测当中。在本文中，且看作者如何将传感器用于医疗检测，让我们少受容嬷嬷般扎人的折磨。

隔空移动

研究人员设计了一种磁机械谐振器（MMR），由两个球形钕铁硼磁铁组成，一个固定在圆柱形外壳上，另一个悬挂在细丝上。悬浮的球体是由磁铁的相互吸引力固定，这种吸引力比重力高出3个数量级！其中，固定磁体的磁场所产生的转矩驱动磁矩成反平行排列。

MMR产生电流脉冲后，通过电磁线圈传输来激发振荡，之后，振荡磁矩在这些线圈中产生一个电压，该电压经过放大后代表接收到的信号。MMR轴承的低摩擦转化为缓慢的信号衰减，因此短激励周期可以与长窗口交替进行信号采集。

线圈上的信号幅值分布用于跟踪，而MMR信号的频率不携带空间信息。它可以用来测量改变两个磁球之间距离的物理参数，从而调制振荡频率。 简而言之，这种传感器由两个磁铁组成，一个固定在塑料外壳上，另一个可以扭曲和振荡。外部设备使用电磁线圈产生磁场，从而移动第二个磁铁。该设备通过测量第二个磁铁的变化来收集读数。

图|MMR系统组成及信号响应（来源：Science）

对于该研究，马德里微纳米技术研究所开发纳米机械传感器的物理学家Montserrat Calleja Gómez认为这种传感器的设计非常聪明且极具创意，跳出了传统传感器的框架。 那么这种传感器可以用来做什么呢？

导航启动！

研究人员为了测试其准确性，便让蜜蜂和MMR共舞。他们将MMR（大约15毫克，1.8毫米；商用传感器尺寸为11毫米）绑在蜜蜂身上，使其在距离线圈阵列200毫米的距离上行走和飞行并被实时跟踪。每次测量都提供蜜蜂的瞬时位置（x, y, z）和姿态（俯仰，偏航，滚转），即6自由度信息。根据跟踪数据和相机视图可知，飞行蜜蜂的速度高达每秒600毫米。

结果表明，该传感器可以追踪飞行中蜜蜂的路径和方向。 此外，Jürgen Rahmer的团队还将传感器安装在了活检针的尖端，并将其注射到一个组织中，以验证传感器是否可以帮助指导医疗器械。实验结果表明，传感器准确地跟踪了针头，并通过提供针头位置的地图，使科学家能够将其导航到目标区域（在这种情况下，斑点内有一个假白球）。作者表明，在现实世界中，传感器可以将活检针、导管和其他仪器引导到确切的目标，以进行治疗、收集细胞样本或解剖一块组织。

图|蜜蜂的行踪被实时跟踪（来源：Science）

图|传感器用于活检（视频经加速处理）（来源：Science）

令人兴奋的是，这种传感器除了“导航”作用，还可以感受压力的变化。Nakatsuka表明，这种功能在未来的某一天或许可以连续性地检测人体血压。为了演示该功能，研究人员采用一个密封的MMR压力传感器承受压力变化。其中扩散密封的金属外壳是可压缩的，类似于普通的无气压计。传感器的灵敏度和测量范围可以通过外壳的刚度来调节。其中，频率的变化便是压力的变化，其量程覆盖了300毫米汞柱的压力范围，足以用来测量人体血压。

图|压力测试（来源：Science）

总之，MMR实现了传感技术的微型化，使其在线性尺寸上比现有的LC谐振器技术小1~2倍。并且，MMR传感器的范围最远可以检测到25厘米内的信号，而现有传感器的检测范围仅有5厘米左右，这大大提高了传感器的实用性。 此外，与纯机械谐振器相比，第二个磁体提供的磁恢复扭矩对应于低刚度或扭转常数，从而产生相当低的谐振频率。低频率的好处是在金属物体或病人体内产生较少的涡流，从而减少屏蔽效应。

物美价廉

这么高级东西，一定很贵吧！事实上，MMR可以实现简单的低成本制造，飞利浦的物理学家Bernhard Gleich表示，“除了磁铁外，你只需要一点点塑料管，一点点绳子，一点点粘合剂，你就可以把所有东西放在一起。”并且，MMR组件不需要高精度，因为磁力会自动使振荡球体居中。这些优点加上MMR的小尺寸及其约25厘米的无线探测距离或许可以实现广泛的应用。 研究人员表示，将MMR集成在药丸中，可以在患者的胃肠道内进行无线检测。弥补了现有方法要么需要身体接触的检测贴片，要么需要厘米大小的电子药丸的不足。

此外，胃肠道中的MMR传感可以同时传递身体核心温度、蠕动压力、pH值或肠内容物粘度。 在外科应用中，MMR可用于标记肿瘤组织以指导切除。对于监测和远程医疗解决方案，微型MMR传感器可以直接在血流中操作，例如用于测量血压等生理参数或用于植入设备的功能监测。除了用于医疗器械，MMR也可以集成到产品和消耗品中。

尽管如此，Gleich估计，该设备可能需要5到8年才能用于人类最简单的应用，研究人员仍然需要做很多工作来确保传感器在正常工作的同时，不会对人体产生危害。 

审核编辑：刘清