研究人員已經打造出一種新型的醫學感測器,渴望能徹底改革醫師治療腦動脈瘤(brain aneurysms)的方法。這種元件是一種配備電感的電容式感測器,不需要安裝電池,可直接植入患者的腦內;但其侵入性比現有最常見的醫療方法要低得多。

美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員Robert Herbert與Woon-Hong Yeo是在最新出版的《Advanced Science》期刊上介紹了上述裝置,這是喬治亞理工學院以及韓國漢陽大學(Hanyang University)的合作成果。

生物感測器的小型化與高效率的無線通訊協議結合,催生了對醫療照護領域影響深遠的新一代醫療感測器;聽診器也正面臨革命性的進展,能對於管理健康資訊更有幫助。最新的微電子技術對植入式解決方案特別有利,能讓這類方案變成可擴展的生物感測器。

此一產業正在因應與無線監測功能、可靠度與生產可擴充性相關的技術挑戰,並利用與人體組織與血管更相容的新材料製造。喬治亞理工學院的感測器也得益於上述進展,其感測器是植入人腦的血管中,藉此幫助醫生評估可能導致病患死亡的異常情況。

該感測器是由生物相容的聚醯亞胺(polyimide)組成,包括兩個銀奈米粒子層、一個介電質(dielectric),以及軟性聚合物封裝材料;此外有一個透過體外裝置採集之電磁能量供電的線圈。植入式感測器的電容會根據血流變化,並改變位於體外的第三線圈輸出訊號。該裝置能偵測每秒僅0.05毫米(milliliters)速度的血流。

研究人員表示,他們在實驗室中從6公分的距離量測到植入在人體中以刺激大腦組織的感測器電容變化。該感測器是利用電感耦合支援腦動脈瘤仿生血液動力學(biomimetic hemodynamics)的無線偵測。

研究人員表示,這種感測器很容易製作,能以3D氣溶膠噴塗印刷(aerosol jet printing)在彈性體基板上製作銀導線,降低成本與加速生產。這種技術能在不利用傳統微影製程的情況下打造出非常小的電子元件,實現微型醫療領域適合植入裝置的微電子結構。

目前的腦動脈瘤治療是以反覆的血管造影來監測,這需要對病患注射成像染劑,其過程被認為是高風險的;採用新型感測器能在不使用染劑的情況下進行更有效的評估。喬治亞理工學院George W. Woodruff機械工程學院的副教授Yeo表示,「我們的感測器特色在於能被無縫整合於臨床上治療動脈瘤的醫療支架(medical stents)或是分流器(flow divisions)。」

該感測器結合了一個LC電路(感測器的電容C以及線圈L),因此形成了與f = 1 / (2π√LC)成比例的頻率;相較於觀察阻抗變化的頻域(frequency domain)方法,這種讀取方法能支援更長的距離。

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不需電池的腦動脈瘤監測裝置,內含植入式無線血流感測器以及兩個外部天線線圈。
(來源:Advance Science)

研究團隊的分析與實驗已經確認了能正確最佳化其量測的電氣特性;感測器品質因數、耦合係數(coupling coefficient)以及轉移係數(transfer coefficient)之間的關聯性,替直徑為100μm的線圈定義了繞線匝數的臨界值,以實現高效率。有44~30匝以及30mm長度的線圈能支援較長的讀取距離,其產生的電感為1.5 ~1.9μH;約40/50匝的線圈平均感應電流為1.2mW。

其測試利用了150~220pF的電容,以取得10.2~12.2MHz之間的低諧振頻率。改變感測器的電容不會影響感應功率,但是會降低品質因數,產生較不明顯的共振峰。這種類型的透膚感測器能被用在皮膚上監測不同的醫學參數,若控制得當能有助於疾病治療。

醫療裝置通常是微電子與微機械的結合,微機電系統(MEMS)就是一種完美的呈現;這種裝置也能用以監測血糖與血壓、治療慢性疼痛,或者是施打藥劑。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Wireless, battery-free sensor for brain aneurysm treatment,by Maurizio Di Paolo Emilio)