《電子技術(shù)應(yīng)用》
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【突破】世界最小的可植入單芯片系統(tǒng),,實現(xiàn)無線體溫監(jiān)測等功能

2021-07-17
來源:與非網(wǎng)

  與非網(wǎng)訊 近日,,哥倫比亞大學(xué)的一支工程師團隊,,展示了其開發(fā)了有史以來最小的可植入單芯片系統(tǒng),,總體積小于0.1 mm3 ,能夠在注射植入皮下之后實現(xiàn)測量體內(nèi)溫度等功能,。

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  可植入人體的單芯片系統(tǒng)及功能模塊介紹

  正如顯微鏡下拍攝的圖片,,這款單芯片系統(tǒng)小到能夠通過針管來實現(xiàn)人體植入。放大后的單芯片系統(tǒng)呈現(xiàn)出方形的外觀,,兩側(cè)邊長約為0.3毫米,。想要造出如此精細(xì)的可植入單芯片系統(tǒng),尤其需要在通信和供電方式上花費一些心思,。

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  在體外觀測到的雞體組織植入芯片及測試情況

  雖然市面上已有不少小型電子設(shè)備集成了具有無線電信號收發(fā)功能的射頻(RF)模塊,,但其電磁波波長可能難以與如此小的設(shè)備配合使用。不過在特定的情況下,,我們還是可以利用波長更小的超聲波方案,。由于聲速遠小于電磁波傳播的光速級別,研究團隊還集成了一個壓電MEMS換能器,,以將之當(dāng)做超聲波無線供電和通信的核心器件,。

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  在小鼠大腦與后肢植入這款單芯片系統(tǒng),進行體溫測量

  結(jié)合低功耗溫度傳感器,,研究團隊已能夠?qū)⑦@款可植入單芯片系統(tǒng)當(dāng)做感測實時溫度的探針,。展望未來,還可期待它能發(fā)揮血壓,、血糖,、血氧監(jiān)測等更豐富的臨床功能。

  此前,,該研究團隊已在超聲神經(jīng)刺激的活小鼠中證明了可植入單芯片系統(tǒng)的功能,。甚至通過肌肉注射的方式,一次將七個可植入單芯片系統(tǒng)送入小鼠體內(nèi),。

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  在FUS刺激期間的小鼠坐骨神經(jīng)溫度監(jiān)測

  一般來說,,小型電子設(shè)備可能采用射頻(RF)模塊來發(fā)送和接收電磁無線電信號,但這些波長太大了,,不能用于如此小的設(shè)備,。另一方面,,在給定的頻率下,超聲波的波長要小得多,,因為聲波的速度遠遠低于電磁波傳播的光速,。因此,該團隊安裝了一個壓電換能器,,作為無線供電和通過超聲波進行通信的“天線”,。

  這與機載低功率溫度傳感器相結(jié)合,將芯片轉(zhuǎn)化為實時溫度傳感的探針,,使其能夠監(jiān)測體溫以及由超聲波治療應(yīng)用驅(qū)動的溫度波動,。這種植入物的能力在實驗活體老鼠身上得到了證明,在那里它被用于超聲波神經(jīng)刺激,,通過注射器肌肉注射,,一次最多可以將七個植入物植入實驗老鼠體內(nèi)。

  最終,,科學(xué)家們設(shè)想將這種芯片植入人體,,然后通過超聲波將測量到的信息無線傳輸出來。以目前的形式,,這僅限于體溫,,但未來可能還會包括血壓,血糖水平和呼吸功能等信息,。

  領(lǐng)導(dǎo)該項研究的科學(xué)家表示:“我們想看看,,我們能把芯片的功能縮小到什么程度。這是‘芯片即系統(tǒng)’的新概念 —— 這是一種單獨的芯片,,不需要其他任何東西,,就是一個完整的電子系統(tǒng)。這對于開發(fā)無線微型植入式醫(yī)療設(shè)備來說應(yīng)該是革命性的,,這種設(shè)備可以感知不同的東西,,用于臨床應(yīng)用,并最終被批準(zhǔn)用于人類,?!?/p>

  有關(guān)這項研究的詳情,已經(jīng)發(fā)表在《科學(xué)進展》(Science Advances)期刊上,。




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