主流醫(yī)學(xué)在人體內(nèi)使用電子元件的現(xiàn)象越來越普遍,各種植入元件被植入體內(nèi),用于測量人體內(nèi)部狀況并向神經(jīng)和肌肉發(fā)送模擬的電震動刺激。但是,要將人體轉(zhuǎn)換成為合適的“半機(jī)械人”,需要大量能分布于人體各處的微型設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),一個(gè)生物工程師團(tuán)隊(duì)已成功打造出了塵埃大小的無線電極,可直接貼附于神經(jīng)之上,也許在未來的某天,也可“寄居”在人類的大腦里。
該工程師團(tuán)隊(duì)來自加州大學(xué)伯克利分校,他們將一顆被稱為“神經(jīng)灰塵”的顆粒移植到一只被麻醉的大鼠體內(nèi),成功證明該植入電極可記錄該大鼠坐骨神經(jīng)所發(fā)出的信號并可通過無線方式傳輸這些信息。本次研究工作在加州大學(xué)伯克利分校神經(jīng)工程和假體中心予以具體實(shí)施。喬斯卡門納(Jose Carmena)是該中心的聯(lián)執(zhí)主任,也是本次研究工作的聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)人員,他表示:“本次試驗(yàn)是概念認(rèn)證試驗(yàn)?!比绻窠?jīng)灰塵可用于人體和大腦之中,那么醫(yī)生將會與人類神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生全新且更為密切的“互動關(guān)系”。
但首先,神經(jīng)灰塵要能在失去知覺的大鼠體內(nèi)發(fā)揮作用。
在為神經(jīng)灰塵提供動力時(shí),動物體外的換能器將發(fā)出超聲波震動,并通過皮膚和組織進(jìn)行傳遞。當(dāng)聲波到達(dá)植入的微粒時(shí),微粒的壓電晶體會將震動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,從而向按壓在神經(jīng)之上的尺寸極小的晶體管提供動力支持。隨著神經(jīng)中的自然電活動不斷發(fā)生變化,晶體管中的電流也隨之發(fā)生變化,從而為神經(jīng)信號提供了一個(gè)讀出機(jī)制。
神經(jīng)灰塵系統(tǒng)同樣會使用超聲波將上述神經(jīng)信號信息傳出體外。外部換能器會發(fā)出為微粒供能的超聲波震動以及接收部分返回震動的回音,發(fā)出和接收交替進(jìn)行。由于通過晶體管的電流發(fā)生變化,故壓電晶體的機(jī)械阻抗亦發(fā)生變化,繼而對換能器所收到的返回信號數(shù)量產(chǎn)生影響。
為確保該系統(tǒng)對人類可用,卡門納及其同事目前正著力解決4項(xiàng)極為突出的技術(shù)挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)1
在大鼠清醒且不斷亂動的狀態(tài)下,
確保大鼠體內(nèi)的神經(jīng)灰塵系統(tǒng)正常工作。
使用超聲波為顆粒供電擁有一大優(yōu)勢,那就是可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無線化。其他神經(jīng)記錄系統(tǒng)通常使用大型電池或笨拙不雅且須穿透皮膚的電線。但無線化也存在一個(gè)弊端。外部換能器必須與植入灰塵顆粒保持高度一致,只有這樣,超聲波震動才能準(zhǔn)確觸達(dá)壓電晶體。當(dāng)被試大鼠處于無意識狀態(tài)時(shí),保持上述一致較為簡單,但如果大鼠處于清醒狀態(tài)且四處亂動,那么問題就變得較為棘手了。
因此,本次研究工作的聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)人米歇爾馬哈比斯(Michel Maharbiz,就職于伯克利分校電子工程系)曾研發(fā)嚙齒動物可穿戴的換能器。他提出將一個(gè)內(nèi)含換能器設(shè)備的小背包放置于植入顆粒的上部,從而實(shí)現(xiàn)可靠的一致性要求。
盡管如此,部分專家還是表示,一致性問題將導(dǎo)致神經(jīng)灰塵系統(tǒng)無法在人類患者中得到實(shí)際應(yīng)用。達(dá)斯汀泰勒(Dustin Tyler)是位于美國克利夫蘭的凱斯西儲大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程教授,致力于研究包裹神經(jīng)的卡膚電極,他表示:“極為復(fù)雜的外部組件將削弱簡單無線植入物的優(yōu)勢。每天穿脫那些需要進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)高度一致性的(超聲)換能器設(shè)備陣列,會使人感到心煩意亂,且會導(dǎo)致病人無法使用或無法正常使用這種設(shè)備。”
挑戰(zhàn)2
在單個(gè)動物體內(nèi)使用多個(gè)微粒。
在概念認(rèn)證試驗(yàn)中,研究人員不僅對大鼠神經(jīng)信號進(jìn)行了記錄,也對大鼠肌肉的電信號進(jìn)行了記錄。馬哈比斯表示:“通過在多處肌肉和神經(jīng)上使用微粒,神經(jīng)灰塵可提供相當(dāng)于內(nèi)部傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能。深層組織溫度傳感器對于器官功能的監(jiān)測強(qiáng)度和效率是目前已有技術(shù)所無法匹敵的?!?/p>
要想對來自多個(gè)微粒的信號提供動力支持并進(jìn)行記錄,研究人員需要研發(fā)新的技巧和方法,并需確定更優(yōu)的信號處理流程。研究人員可使用大量的超聲波換能器,實(shí)現(xiàn)對動物全身的射束掃描,從而依次觸達(dá)所有顆粒。工程師也正編寫全新的信號處理算法,以便正確識別來自多個(gè)信號源的回聲信息??ㄩT納對此十分樂觀,他強(qiáng)調(diào):“蝙蝠也使用相似的回聲定位方法,從而在存在眾多動物的山洞內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)航、飛行。如果蝙蝠可以做到這一點(diǎn),那么我們應(yīng)該也可做到?!?/p>
挑戰(zhàn)3
除了記錄功能外,
神經(jīng)灰塵還應(yīng)該能刺激神經(jīng)。
盡管記錄神經(jīng)和肌肉產(chǎn)生的信號能夠提供關(guān)于人體的詳細(xì)信息,但是,身處“電子醫(yī)學(xué)”這一熱門新領(lǐng)域的研究人員,更傾向于使用電脈沖對神經(jīng)進(jìn)行刺激從而改變身體的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。例如,電子醫(yī)學(xué)公司正在開發(fā)對頸部迷走神經(jīng)進(jìn)行刺激的醫(yī)療設(shè)備,可改善類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)炎癥狀,并可減輕偏頭疼的疼痛程度。
但是,當(dāng)前的神經(jīng)灰塵顆粒仍是一款功率較低的設(shè)備,其功率只有0.12毫瓦。費(fèi)恩斯坦醫(yī)學(xué)研究所(Feinstein Institute)位于紐約州的曼哈塞特,該機(jī)構(gòu)的生物電子醫(yī)學(xué)中心主任查德布頓(Chad Bouton)表示:“具備刺激功能的顆粒需要更大的功率支持。他們的思路十分正確,但要成功開發(fā)刺激功能,他們或許還需進(jìn)行更多工作?!辈碱D的實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出另一種神經(jīng)環(huán)帶,并配有大量緊密排布的電極,提供強(qiáng)勁的刺激沖擊,但是,該設(shè)備目前仍需使用穿透皮膚的線路。
挑戰(zhàn)4
需縮小顆粒尺寸,
以便能夠安全放置于人腦之中。
“神經(jīng)灰塵”這一名稱頗具理想性:研究人員目前使用的顆粒,其體積約為2.4立方毫米,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常見的灰塵顆粒體積。如果研究人員想在人腦中安全分布神經(jīng)灰塵,那么他們必須研制出體積更小的顆粒。
研究人員表示,他們的顆粒樣品使用的是市場上流通的普通電路板。他們認(rèn)為,通過開發(fā)定制化電路板,他們可以將顆粒的體積縮小到1立方毫米,約為樣品中壓電晶體的尺寸。同時(shí),他們已經(jīng)在為更具“野心”的目標(biāo)而努力:研發(fā)體積僅為50立方微米的顆粒。如可獲得該等體積的顆粒,那么即可將顆粒放置于人類大腦更深層次的褶皺區(qū)域,我們也可以一窺人類腦海中那些未知的神秘角落。
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智慧醫(yī)療
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