新型植入式传感器+可穿戴设备，实现无线物理生化量传感

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、生物相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。

为此，北京大学韩梦迪助理教授课题组报道了一种小型化、无源、无线的植入式传感系统，通过穿戴式设备能够对液体粘稠度、环境压强与多种生物标志物的浓度等物理生化量进行无线传感。相关成果以“Millimeter-scale magnetic implants paired with a fully integrated wearable device for wireless biophysical and biochemical sensing”为题发表在《Science Advances》期刊上，北京大学博士研究生万基为第一作者，聂众一为共同一作。

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。

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

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3 在体验证：基于衰减系数的无线粘稠度传感

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。

图4 在体验证：基于振动频率的无线压强与葡萄糖传感

综上所述，该研究介绍了一种创新的磁性植入器件，无需芯片或电池，可与可穿戴设备配对，实现对人体内各种物理和生化变量（如粘度、压力和葡萄糖浓度）的无线监测。与现有的无线植入式传感器不同，该系统具有几个独特之处。首先，可穿戴设备与植入物之间通过磁场进行双向交互，无需商用芯片、电池或线圈，因此无需大型读取设备，从而减小了监测系统的整体尺寸。其次，植入物采用柔软材料作为振动结构，振动幅度比传统MEMS大两个数量级，振动频率可根据需要进行尺寸定制，有助于在非屏蔽环境中进行磁场测量，并支持使用不同频段进行多变量传感。第三，经过表面修饰的磁性植入器件的振动特征不仅反映周围的物理条件，还包含特定化学物质的浓度信息，可以通过深度学习模型将时域和频域数据与各种物理和生化参数相关联。最后，磁性植入器件的无芯片和无电池的特性有助于长期的生物安全性，支持体内应用。在大鼠颅内模型中的实验验证了该系统监测脑脊液粘度、颅内压和脑脊液葡萄糖水平的能力，为脑部疾病的治疗提供了个性化和定制化的参考。这些特点凸显了该小型化系统作为现有无线植入式传感技术的补充，可定量、持续地监测多种物理与生化变量。

论文链接： https://doi.org/10.1126/sciadv.adm9314


审核编辑：刘清