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北京大学:研发小型化的无线植入式传感系统,实现对磁性植入器件所处环境信息的无线传感

发布日期:2024-03-28 10:35:47   来源 : 传感器专家网    作者 :传感器专家网    浏览量 :57
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  1. 【北京大学:研发小型化的无线植入式传感系统,实现对磁性植入器件所处环境信息的无线传感】

       新型植入式传感器具备监测人体内多种变量的能力,包括电生理学、生物力学、神经递质和其他生物标志物的浓度等信息,有助于预防和治疗各种疾病。传统的植入式传感器通常使用经皮导线将信号传输至体外。然而,为了更广泛地应用于健康监测,理想的植入式传感器应该具备以下特点:(i)无线传输信号至体外,避免导线引起的感染和炎症;(ii)在体外使用小型设备进行数据采集,无需大型设备,实现院外或居家健康监测。然而,现有解决方案主要依赖商用芯片电路,如蓝牙或近场通信(NFC)芯片,但是植入电路在微创、生物兼容性和能源供给等方面面临挑战。尽管基于LC谐振、超声、光学与磁场等原理的无源可植入式传感器具有小尺寸、无需能源供给的特点,但是大多需要较大的外部数据采集设备,无法满足穿戴/便携的应用场景。

              图1. 小型化传感系统工作原理

       小型化的无线传感系统包括毫米级别的磁性植入器件与厘米级别的可穿戴设备。可穿戴设备能够激励磁性植入物器件上的微型磁铁进行大幅度的振动,并通过可穿戴设备内的隧穿磁阻传感器(TMR)检测振动信号。通过对振动信号特征的提取分析,可以实现对磁性植入器件所处环境信息的无线传感。

       图2. 小型化传感系统的物理生化变量传感原理及双变量传感。

       穿戴式设备通过磁场无线激励磁性植入器件,并检测其振动信号。通过分析振动信号的衰减速率,可实现对粘稠度的无线传感,粘稠度越大,衰减越快;分析空腔磁性植入器件的振动频率,可实现对压强的无线传感,压强越大,频率越高;通过表面特异性化学修饰与开放空腔结构,分析振动频率可实现对特定生物标志物的无线传感,生物标志物浓度越高,频率越低。通过器件设计可实现分频传感,通过区分振动频段可实现多变量传感。

       图3. 在体验证:基于衰减系数的无线粘稠度传感。

       在大鼠颅内植入器件,并通过穿戴式设备进行激励与监测。通过升温改变其植入部位脑脊液的粘稠度,对升温前、升温后以及冷却后的振动信号进行提取分析。结果显示,在高温度情况下,粘稠度较低,振动衰减速率较慢;相反,在相对低温情况下,粘稠度较高,振动衰减速率较快。

       图4. 在体验证:基于振动频率的无线压强与葡萄糖传感。

       植入空腔器件后,通过腹部按压改变大鼠颅内压,对振动信号的频率进行分析,能够无线传感颅内压的改变。该系统与商用压力导管输出相匹配,并保持一定的输出稳定性。经过化学修饰的开放空腔器件植入后,注射高浓度葡萄糖溶液可观测到振动频率逐渐下降,实现对葡萄糖含量的无线传感。

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