微型化磁機械諧振傳感器用于微創(chuàng)醫(yī)療和健康監(jiān)測

? 在尋常的活檢中，醫(yī)生需要尋找你的組織，在你的身體里“挖呀挖呀挖，找呀找呀找”。如果有一種技術(shù)，可以讓活檢針頭準(zhǔn)確地到達目的地，豈不是可以少受很多罪？ 近日，來自德國漢堡飛利浦實驗室的科學(xué)家Jürgen Rahmer及其團隊設(shè)計了一個平臺，通過將現(xiàn)有技術(shù)與尺寸約為1立方毫米的微型化傳感器相結(jié)合，使其應(yīng)用于微創(chuàng)醫(yī)療或患者監(jiān)測等方面。該研究以“Miniature magneto-mechanical resonators for wireless tracking and sensing”為題發(fā)表在權(quán)威期刊Science上。

圖|（來源：Science）

什么是傳感器？

“傳感器”，聽起來高大上的名詞，卻存在我們生活的方方面面，例如煙霧報警器、自動開關(guān)門、照相機、電子稱等。 所以，傳感器其實就是一種檢測裝置，可以感受到被檢測的信息，并將檢測到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為其他信號。比如電子稱感受到了你的壓力，于是壓力施加給傳感器，該傳感器的變化引起阻抗的變化，從而引起電信號的變化，電信號經(jīng)過處理后輸出為可視化的數(shù)字。 隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器也逐漸應(yīng)用到醫(yī)療檢測當(dāng)中。在本文中，且看作者如何將傳感器用于醫(yī)療檢測，讓我們少受容嬤嬤般扎人的折磨。

隔空移動

研究人員設(shè)計了一種磁機械諧振器（MMR），由兩個球形釹鐵硼磁鐵組成，一個固定在圓柱形外殼上，另一個懸掛在細絲上。懸浮的球體是由磁鐵的相互吸引力固定，這種吸引力比重力高出3個數(shù)量級！其中，固定磁體的磁場所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動磁矩成反平行排列。

MMR產(chǎn)生電流脈沖后，通過電磁線圈傳輸來激發(fā)振蕩，之后，振蕩磁矩在這些線圈中產(chǎn)生一個電壓，該電壓經(jīng)過放大后代表接收到的信號。MMR軸承的低摩擦轉(zhuǎn)化為緩慢的信號衰減，因此短激勵周期可以與長窗口交替進行信號采集。

線圈上的信號幅值分布用于跟蹤，而MMR信號的頻率不攜帶空間信息。它可以用來測量改變兩個磁球之間距離的物理參數(shù)，從而調(diào)制振蕩頻率。 簡而言之，這種傳感器由兩個磁鐵組成，一個固定在塑料外殼上，另一個可以扭曲和振蕩。外部設(shè)備使用電磁線圈產(chǎn)生磁場，從而移動第二個磁鐵。該設(shè)備通過測量第二個磁鐵的變化來收集讀數(shù)。

圖|MMR系統(tǒng)組成及信號響應(yīng)（來源：Science）

對于該研究，馬德里微納米技術(shù)研究所開發(fā)納米機械傳感器的物理學(xué)家Montserrat Calleja Gómez認(rèn)為這種傳感器的設(shè)計非常聰明且極具創(chuàng)意，跳出了傳統(tǒng)傳感器的框架。 那么這種傳感器可以用來做什么呢？

導(dǎo)航啟動！

研究人員為了測試其準(zhǔn)確性，便讓蜜蜂和MMR共舞。他們將MMR（大約15毫克，1.8毫米；商用傳感器尺寸為11毫米）綁在蜜蜂身上，使其在距離線圈陣列200毫米的距離上行走和飛行并被實時跟蹤。每次測量都提供蜜蜂的瞬時位置（x,?y, z）和姿態(tài)（俯仰，偏航，滾轉(zhuǎn)），即6自由度信息。根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)和相機視圖可知，飛行蜜蜂的速度高達每秒600毫米。

結(jié)果表明，該傳感器可以追蹤飛行中蜜蜂的路徑和方向。 此外，Jürgen Rahmer的團隊還將傳感器安裝在了活檢針的尖端，并將其注射到一個組織中，以驗證傳感器是否可以幫助指導(dǎo)醫(yī)療器械。實驗結(jié)果表明，傳感器準(zhǔn)確地跟蹤了針頭，并通過提供針頭位置的地圖，使科學(xué)家能夠?qū)⑵鋵?dǎo)航到目標(biāo)區(qū)域（在這種情況下，斑點內(nèi)有一個假白球）。作者表明，在現(xiàn)實世界中，傳感器可以將活檢針、導(dǎo)管和其他儀器引導(dǎo)到確切的目標(biāo)，以進行治療、收集細胞樣本或解剖一塊組織。

圖|蜜蜂的行蹤被實時跟蹤（來源：Science）

圖|傳感器用于活檢（視頻經(jīng)加速處理）（來源：Science）

令人興奮的是，這種傳感器除了“導(dǎo)航”作用，還可以感受壓力的變化。Nakatsuka表明，這種功能在未來的某一天或許可以連續(xù)性地檢測人體血壓。為了演示該功能，研究人員采用一個密封的MMR壓力傳感器承受壓力變化。其中擴散密封的金屬外殼是可壓縮的，類似于普通的無氣壓計。傳感器的靈敏度和測量范圍可以通過外殼的剛度來調(diào)節(jié)。其中，頻率的變化便是壓力的變化，其量程覆蓋了300毫米汞柱的壓力范圍，足以用來測量人體血壓。

圖|壓力測試（來源：Science）

總之，MMR實現(xiàn)了傳感技術(shù)的微型化，使其在線性尺寸上比現(xiàn)有的LC諧振器技術(shù)小1~2倍。并且，MMR傳感器的范圍最遠可以檢測到25厘米內(nèi)的信號，而現(xiàn)有傳感器的檢測范圍僅有5厘米左右，這大大提高了傳感器的實用性。 此外，與純機械諧振器相比，第二個磁體提供的磁恢復(fù)扭矩對應(yīng)于低剛度或扭轉(zhuǎn)常數(shù)，從而產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷闹C振頻率。低頻率的好處是在金屬物體或病人體內(nèi)產(chǎn)生較少的渦流，從而減少屏蔽效應(yīng)。

物美價廉

這么高級東西，一定很貴吧！事實上，MMR可以實現(xiàn)簡單的低成本制造，飛利浦的物理學(xué)家Bernhard Gleich表示，“除了磁鐵外，你只需要一點點塑料管，一點點繩子，一點點粘合劑，你就可以把所有東西放在一起?！辈⑶?，MMR組件不需要高精度，因為磁力會自動使振蕩球體居中。這些優(yōu)點加上MMR的小尺寸及其約25厘米的無線探測距離或許可以實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。 研究人員表示，將MMR集成在藥丸中，可以在患者的胃腸道內(nèi)進行無線檢測。彌補了現(xiàn)有方法要么需要身體接觸的檢測貼片，要么需要厘米大小的電子藥丸的不足。

此外，胃腸道中的MMR傳感可以同時傳遞身體核心溫度、蠕動壓力、pH值或腸內(nèi)容物粘度。 在外科應(yīng)用中，MMR可用于標(biāo)記腫瘤組織以指導(dǎo)切除。對于監(jiān)測和遠程醫(yī)療解決方案，微型MMR傳感器可以直接在血流中操作，例如用于測量血壓等生理參數(shù)或用于植入設(shè)備的功能監(jiān)測。除了用于醫(yī)療器械，MMR也可以集成到產(chǎn)品和消耗品中。

盡管如此，Gleich估計，該設(shè)備可能需要5到8年才能用于人類最簡單的應(yīng)用，研究人員仍然需要做很多工作來確保傳感器在正常工作的同時，不會對人體產(chǎn)生危害。?

審核編輯：劉清