科學(xué)家研發(fā)利用電容變化來(lái)測(cè)量血流量的傳感器

以戴手套的手指作為對(duì)比，展示了在支架骨干上的概念驗(yàn)證流量傳感器據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，研究人員開(kāi)發(fā)出一款可伸縮傳感器，能夠與腦動(dòng)脈瘤治療中的分流器配合使用，無(wú)需診斷即可追蹤血管中的血流動(dòng)力學(xué)。

來(lái)自喬治亞理工學(xué)院（Georgia Tech’s Institute）電子和納米技術(shù)專業(yè)，匹茲堡大學(xué)（the University of Pittsburgh）和韓國(guó)材料研究所（Korea Institute of Materials Science）的研究人員組成的合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一款能夠利用電容變化來(lái)測(cè)量血流量的傳感器。

該團(tuán)隊(duì)表明，這款傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)物血管的體外流動(dòng)?，F(xiàn)在他們正在致力于實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的無(wú)線操作。Woon-Hong Yeo是該項(xiàng)目的研究人員之一，他在一篇新聞稿中表示，“納米結(jié)構(gòu)的傳感器系統(tǒng)在患者治療中具有很多優(yōu)勢(shì)，包括侵入性較小的動(dòng)脈瘤治療和主動(dòng)監(jiān)測(cè)能力，集成系統(tǒng)可以在術(shù)后主動(dòng)監(jiān)測(cè)血流動(dòng)力學(xué)，允許醫(yī)生跟蹤定量測(cè)量分流器在治療中的工作情況?！眲?dòng)脈瘤最常見(jiàn)的治療辦法是使用鉑金彈簧圈置入動(dòng)脈瘤囊。然而，支架狀分流器為腦動(dòng)脈瘤提供了一種侵入性較小的治療方法。

流量轉(zhuǎn)向?qū)⒍嗫字Ъ芊胖迷趧?dòng)脈瘤的頸部，以重新引導(dǎo)動(dòng)脈瘤囊的流動(dòng)，防止局部血栓的發(fā)生。匹茲堡大學(xué)斯萬(wàn)森工程學(xué)院（Swanson School of Engineering）的助教Youngjae Chun解釋道，“利用高孔薄膜鎳鈦合金，我們開(kāi)發(fā)出一款高伸縮性、超彈性的分流器?，F(xiàn)有的分流器中沒(méi)有一款能夠定量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腦動(dòng)脈瘤囊內(nèi)血流動(dòng)力學(xué)。

通過(guò)與喬治亞理工學(xué)院Yeo博士所帶領(lǐng)小組的合作，我們開(kāi)發(fā)出一款智能分流系統(tǒng)，能夠主動(dòng)監(jiān)測(cè)手術(shù)中和手術(shù)后的血流變化?！笔軗p的動(dòng)脈修復(fù)可能要花費(fèi)數(shù)月或數(shù)年，也就意味著對(duì)分流器的監(jiān)測(cè)必須使用MRI（核磁共振）和血管造影。上述兩種辦法都非常昂貴，且需要將磁性染料注入到血液中去。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的傳感器可以作為醫(yī)院監(jiān)測(cè)治療的解決方案，使用無(wú)線感應(yīng)線圈并通過(guò)傳感器發(fā)送電磁能量。系統(tǒng)可以根據(jù)能量的諧振頻率通過(guò)傳感器時(shí)所發(fā)生的變化來(lái)測(cè)量囊內(nèi)的血流變化。

Yeo說(shuō)道，“我們正在努力開(kāi)發(fā)無(wú)需電池的無(wú)線裝置，該裝置將擁有極強(qiáng)的伸縮性和靈活性，也可以小型化，足以通過(guò)大腦中微小且復(fù)雜的血管，安裝起來(lái)不會(huì)被破壞。將這樣的電子系統(tǒng)插入到大腦狹窄且彎曲的血管中是非常具有挑戰(zhàn)性的。”憑借纏繞在分流器介電材料周圍的兩層金屬層微膜，傳感器的厚度可以達(dá)到幾百納米。傳感器的生產(chǎn)使用了柔軟的彈性材料，以及納米制造和材料轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)。

Yeo表示，“薄膜通過(guò)分流器的流動(dòng)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)流動(dòng)強(qiáng)度、速度差，偏轉(zhuǎn)量也相應(yīng)發(fā)生變化。我們基于電容變化測(cè)量偏轉(zhuǎn)量，因?yàn)殡娙菖c兩層金屬層之間的距離成反比。”由于大腦中的血管非常細(xì)小，分流器的長(zhǎng)度只有5~10毫米，厚度僅為幾毫米，也就意味著傳統(tǒng)的傳感器因其龐大的電子電路而無(wú)法使用。

Yeo繼續(xù)說(shuō)道，“目前，將功能材料和電路放入如此小的物體中幾乎是不可能的?；趥鹘y(tǒng)材料和設(shè)計(jì)理念，我們所做的工作非常具有挑戰(zhàn)性?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)在傳感器上做了金、鎂和鎳鈦合金的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所有材料都可以安全用于體內(nèi)，但是鎂在不需要使用時(shí)可以溶于血液。通過(guò)體外測(cè)試，該團(tuán)隊(duì)將概念驗(yàn)證傳感器連接到導(dǎo)線，目前團(tuán)隊(duì)成員正在開(kāi)發(fā)一種可用于動(dòng)物模型的無(wú)線傳感器。目前，植入式傳感器正用于臨床腹部血管監(jiān)測(cè)，但是監(jiān)測(cè)大腦中的細(xì)小血管還是一個(gè)待解決的挑戰(zhàn)。

Yeo指出，“傳感器必須完全壓縮再放置，因此拉伸比例需要達(dá)到300%或400%。傳感器結(jié)構(gòu)必須能夠承受上述處理，同時(shí)保持舒適且能夠彎曲以適應(yīng)血管內(nèi)部結(jié)構(gòu)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)的研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)?納米》（ACS Nano）期刊上。