新型植入式傳感器具備監(jiān)測人體內(nèi)多種變量的能力，包括電生理學、生物力學、神經(jīng)遞質和其他生物標志物的濃度等信息，有助于預防和治療各種疾病。傳統(tǒng)的植入式傳感器通常使用經(jīng)皮導線將信號傳輸至體外。然而，為了更廣泛地應用于健康監(jiān)測，理想的植入式傳感器應該具備以下特點：（i）無線傳輸信號至體外，避免導線引起的感染和炎癥；（ii）在體外使用小型設備進行數(shù)據(jù)采集，無需大型設備，實現(xiàn)院外或居家健康監(jiān)測。然而，現(xiàn)有解決方案主要依賴商用芯片電路，如藍牙或近場通信（NFC）芯片，但是植入電路在微創(chuàng)、生物相容性和能源供給等方面面臨挑戰(zhàn)。盡管基于LC諧振、超聲、光學與磁場等原理的無源可植入式傳感器具有小尺寸、無需能源供給的特點，但是大多需要較大的外部數(shù)據(jù)采集設備，無法滿足穿戴/便攜的應用場景。
為此，北京大學韓夢迪助理教授課題組報道了一種小型化、無源、無線的植入式傳感系統(tǒng)，通過穿戴式設備能夠對液體粘稠度、環(huán)境壓強與多種生物標志物的濃度等物理生化量進行無線傳感。相關成果以“Millimeter-scale magnetic implants paired with a fully integrated wearable device for wireless biophysical and biochemical sensing”為題發(fā)表在《Science Advances》期刊上，北京大學博士研究生萬基為第一作者，聶眾一為共同一作。
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圖1 小型化傳感系統(tǒng)工作原理
小型化的無線傳感系統(tǒng)包括毫米級別的磁性植入器件與厘米級別的可穿戴設備?？纱┐髟O備能夠激勵磁性植入物器件上的微型磁鐵進行大幅度的振動，并通過可穿戴設備內(nèi)的隧穿磁阻傳感器（TMR）檢測振動信號。通過對振動信號特征的提取分析，可以實現(xiàn)對磁性植入器件所處環(huán)境信息的無線傳感。
穿戴式設備通過磁場無線激勵磁性植入器件，并檢測其振動信號。通過分析振動信號的衰減速率，可實現(xiàn)對粘稠度的無線傳感，粘稠度越大，衰減越快；分析空腔磁性植入器件的振動頻率，可實現(xiàn)對壓強的無線傳感，壓強越大，頻率越高；通過表面特異性化學修飾與開放空腔結構，分析振動頻率可實現(xiàn)對特定生物標志物的無線傳感，生物標志物濃度越高，頻率越低。通過器件設計可實現(xiàn)分頻傳感，通過區(qū)分振動頻段可實現(xiàn)多變量傳感。
圖2 小型化傳感系統(tǒng)的物理生化變量傳感原理及雙變量傳感
在大鼠顱內(nèi)植入器件，并通過穿戴式設備進行激勵與監(jiān)測。通過升溫改變其植入部位腦脊液的粘稠度，對升溫前、升溫后以及冷卻后的振動信號進行提取分析。結果顯示，在高溫度情況下，粘稠度較低，振動衰減速率較慢；相反，在相對低溫情況下，粘稠度較高，振動衰減速率較快。
圖3 在體驗證：基于衰減系數(shù)的無線粘稠度傳感
植入空腔器件后，通過腹部按壓改變大鼠顱內(nèi)壓，對振動信號的頻率進行分析，能夠無線傳感顱內(nèi)壓的改變。該系統(tǒng)與商用壓力導管輸出相匹配，并保持一定的輸出穩(wěn)定性。經(jīng)過化學修飾的開放空腔器件植入后，注射高濃度葡萄糖溶液可觀測到振動頻率逐漸下降，實現(xiàn)對葡萄糖含量的無線傳感。
圖4 在體驗證：基于振動頻率的無線壓強與葡萄糖傳感
綜上所述，該研究介紹了一種創(chuàng)新的磁性植入器件，無需芯片或電池，可與可穿戴設備配對，實現(xiàn)對人體內(nèi)各種物理和生化變量（如粘度、壓力和葡萄糖濃度）的無線監(jiān)測。與現(xiàn)有的無線植入式傳感器不同，該系統(tǒng)具有幾個獨特之處。首先，可穿戴設備與植入物之間通過磁場進行雙向交互，無需商用芯片、電池或線圈，因此無需大型讀取設備，從而減小了監(jiān)測系統(tǒng)的整體尺寸。其次，植入物采用柔軟材料作為振動結構，振動幅度比傳統(tǒng)MEMS大兩個數(shù)量級，振動頻率可根據(jù)需要進行尺寸定制，有助于在非屏蔽環(huán)境中進行磁場測量，并支持使用不同頻段進行多變量傳感。第三，經(jīng)過表面修飾的磁性植入器件的振動特征不僅反映周圍的物理條件，還包含特定化學物質的濃度信息，可以通過深度學習模型將時域和頻域數(shù)據(jù)與各種物理和生化參數(shù)相關聯(lián)。最后，磁性植入器件的無芯片和無電池的特性有助于長期的生物安全性，支持體內(nèi)應用。在大鼠顱內(nèi)模型中的實驗驗證了該系統(tǒng)監(jiān)測腦脊液粘度、顱內(nèi)壓和腦脊液葡萄糖水平的能力，為腦部疾病的治療提供了個性化和定制化的參考。這些特點凸顯了該小型化系統(tǒng)作為現(xiàn)有無線植入式傳感技術的補充，可定量、持續(xù)地監(jiān)測多種物理與生化變量。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adm9314
延伸閱讀：
《即時診斷應用的生物傳感器技術及市場-2022版》
《可穿戴技術及市場-2023版》
《糖尿病管理技術及市場-2022版》
《雅培輔理善瞬感?持續(xù)血糖監(jiān)測傳感器產(chǎn)品分析》
