電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信的進步正在融合，為從內(nèi)部監(jiān)測人體開辟了一些令人興奮的可能性，從跟蹤骨科植入物狀態(tài)的傳感器到工作完成后就會溶解的氣體檢測設(shè)備。加州大學(xué)伯克利分校的工程師們已經(jīng)展示了這種技術(shù)的新形式，可以用來檢測深層組織中的氧氣水平，希望它能成為追蹤移植器官健康狀況的工具，以及被應(yīng)用于其他方面。

　　器官移植后血管并發(fā)癥可能導(dǎo)致移植器官缺血、功能障礙或丟失。成像方法可以提供對移植器官灌注的間歇性評估，但需要熟練的從業(yè)人員，并且不能直接評估移植器官內(nèi)的氧合作用。現(xiàn)有的用于監(jiān)視組織氧合作用的系統(tǒng)受到有線連接需求的限制，無法提供實時數(shù)據(jù)或只能提供限于表面組織的數(shù)據(jù)。

　　有鑒于此，美國加州大學(xué)伯克利分校的Michel M. Maharbiz、Soner Sonmezoglu等研究人員，利用毫米級超聲植入物監(jiān)測了深層組織的氧合作用。成果發(fā)表在Nature Biotechnology上。

　　研究人員研發(fā)了一種用于監(jiān)測深層組織O2的微創(chuàng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供從綿羊組織厘米級深度到離體豬組織10 cm深度的連續(xù)實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)由毫米大小的無線超聲波供電可植入式O2傳感器和用于雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠渴瞻l(fā)器組成，可對手術(shù)或重癥監(jiān)護適應(yīng)癥患者進行深層組織氧合作用監(jiān)測。

　　開發(fā)這種微小的無線植入物是為了填補目前測量體內(nèi)組織含氧量的方法中的一個漏洞，其中一些方法涉及使用電磁波收集信息，但只能穿透皮下幾厘米。磁共振成像是另一種測量深層組織含氧量的方法，但需要一定的時間來執(zhí)行，而且無法提供實時結(jié)果。

　　該團隊的新植入物比瓢蟲還要小，它實際上是建立在早期創(chuàng)造的一種名為“神經(jīng)塵埃”的基礎(chǔ)上，這是一種微小的無線植入物，只有一粒沙子大小，可以實時跟蹤神經(jīng)信號和肌肉活動。它通過檢測神經(jīng)電活動中的電壓峰值，并通過超聲波將其傳遞給外部設(shè)備。最近的一個版本被稱為StimDust，能夠?qū)嶋H刺激神經(jīng)，作為一種潛在的治療慢性疼痛和癲癇的方法。

　　新的植入物長4.5毫米，寬3毫米，包含一個氧感應(yīng)薄膜、一個微型LED和一個光學(xué)過濾器，它們一起工作，以測量周圍組織的含氧量。這種傳感器通過一個集成電路進行控制，輸出一個根據(jù)氧含量變化的電子信號。壓電晶體將這些電子信號轉(zhuǎn)換成超聲波，然后通過活體組織傳送到外部設(shè)備。

　　“測量身體深處的東西非常困難，”加州大學(xué)伯克利分校電子工程和計算機科學(xué)教授Michel Maharbiz說，“該設(shè)備展示了如何使用超聲波技術(shù)加上非常聰明的集成電路設(shè)計，你可以創(chuàng)建復(fù)雜的植入物，深入到組織中，從器官中獲取數(shù)據(jù)。”

　　該研究的作者在活羊身上演示了該設(shè)備，并認為它在兒科護理方面具有潛力，早產(chǎn)兒可以植入它，以確保他們被給予正確的補充氧氣量。其他的可能性包括監(jiān)測移植器官的健康狀況，甚至改善癌癥治療。

　　“這種設(shè)備的一個潛在應(yīng)用是監(jiān)測器官移植，因為在器官移植后的幾個月內(nèi)，可能會發(fā)生血管并發(fā)癥，這些并發(fā)癥可能會導(dǎo)致移植功能障礙，”研究作者Soner Sonmezoglu說，“它也可以用來測量腫瘤缺氧，這可以幫助醫(yī)生指導(dǎo)癌癥放射治療?！?/p>

　　科學(xué)家們希望進一步改進該裝置，既要使其能夠在體內(nèi)長期存在，又要使其體積更小，這將使植入更簡單。其他的可能性還包括調(diào)整傳感器的設(shè)計，以追蹤體內(nèi)的其他生物化學(xué)成分。

　　“只要改變我們?yōu)檠鯕鈧鞲衅鳂?gòu)建的這個平臺，你就可以修改設(shè)備來測量，例如pH值、活性氧物種、葡萄糖或二氧化碳，”Sonmezoglu說，“此外，如果我們能夠修改包裝，使其更小，你可以想象能夠用針頭注射到體內(nèi)，或者通過腹腔鏡手術(shù)，使植入更容易。”

　　技術(shù)難題

　　為了臨床上采用無線O2傳感系統(tǒng)來使用慢性體內(nèi)O2跟蹤，必須解決許多技術(shù)難題。

　　第一個挑戰(zhàn)是通過外部收發(fā)器對植入物進行定位，因為手術(shù)后的體內(nèi)位置可能會相對于任何外部基準點發(fā)生漂移。這種運動可能是由于來自身體外部的壓力，運動或呼吸以及疤痕形成而引起的?？梢酝ㄟ^相控陣收發(fā)器實現(xiàn)每次pO2測量之前的體內(nèi)定位，該相控陣收發(fā)器首先使用US背向散射信息來查找，然后跟蹤與時間有關(guān)的植入物在體內(nèi)的位置。

　　第二個挑戰(zhàn)是因為異質(zhì)組織中不同的US傳播路徑之間由于吸收和散射引起的聲衰減會發(fā)生變化。具有較高衰減的路徑可能會大大降低系統(tǒng)功率傳輸效率和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。于此，具有能夠?qū)⒛芰烤劢沟街踩胛锷系木哂写罂讖?、多元素換能器陣列的外部收發(fā)器將允許沿著優(yōu)選路徑操縱US光束。最后，相控陣列還可以潛在地用于以時分多路復(fù)用方式或同時詢問植入目標組織不同位置的多個O2傳感器。

　　最后，長期在體內(nèi)使用無線O2傳感器需要密封包裝，以防止生物流體滲透到電子傳感器組件和壓電晶體中。對于這項工作，研究人員使用生物相容性聚合物封裝植入物，因為它們易于用于急性和半慢性實驗。眾所周知，這些厚的聚合物材料由于其高的水蒸氣滲透性而不適合長期體內(nèi)使用。

　　這項工作提出了在立方毫米體積范圍內(nèi)完全可植入的光極的小型化，適用于深層組織的測量。盡管研究的重點是一種用于測量體內(nèi)O2張力的系統(tǒng)，但基本的技術(shù)成就為微創(chuàng)脈搏血氧飽和度傳感器、pH傳感器和CO2傳感器等打開了大門。這些都體現(xiàn)在超微型深層組織系統(tǒng)中，將能夠進行新的診斷。