全降解植入式无线颅内生理信号超声频移传感原理

主要完成人：臧剑锋、唐瀚川、杨月莹、姜晓兵、刘祯

今年6月5日，国际顶尖期刊《自然》刊发了我校这一创新性医工交叉研究成果，题为“面向颅内生理监测的可注射超声传感器”（Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals）。论文第一作者为我校集成电路学院博士后唐瀚川、博士生杨月莹，同济医学院附属协和医院博士生刘祯；通讯作者为我校集成电路学院、武汉光电国家研究中心臧剑锋教授，南洋理工大学陈晓东教授，协和医院姜晓兵教授。集成电路学院为论文第一完成单位。

图为臧剑锋教授和协和医院姜晓兵教授团队。

生理参数是衡量人体生理状态的指标，可以帮助医生进行疾病诊断、治疗和检测。如何安全、稳定获取人体内部精确的生理参数一直是医学监测领域的重点。目前，临床获取颅内压力、温度等数据的主要途径是将有线且不可降解的电子探针经手术方式植入体内。为了获取准确的数据，细长、坚硬的探针往往需要深入体内几厘米到十几厘米。这种探针无法自行降解需再次手术取出，不但给患者带来植入及去除的多次痛苦，还存在感染等并发症风险。

鉴于此，臧剑锋团队发明可注射超凝胶超声传感器，以实现无线、连续监测颅内生理参数（包括压力、温度、pH值等）。与现有的无线植入式传感器相比，这款新型传感器在植入尺寸、解耦多信号和可降解性方面具有显著优势。

图为可注射和生物可降解的超凝胶超声传感器相关设计。

在这项最新研究中，研究团队提出了一种新型超声传感超凝胶的新原理和新机制，在可降解水凝胶基质内部人工构筑了具有周期性排列的空气孔道结构。当外部环境如压力、温度、pH值等发生变化时，凝胶内部会产生微小形变，从而引起反射声波频率发生可测量的偏移。精确检测这种频率变化，即可获取颅内压力、温度、pH值以及血流流速等多种生理参数。他们还提出了一种创新算法，通过同步分析多个传感器的频率变化数据,可高效分离压力、温度、pH值等多种因素的耦合影响，从而实现对复杂生理环境的全面感知。

图为该成果获得的学术研讨会议评价和国外知名媒体报道。

据悉，与现有商业化有线监测设备相比，可注射超凝胶超声传感器甚至能够检测到人体微小的生理波动，如呼吸运动引起的细微颅压变化等，并在能耗、无热效应等方面表现出极大优势。未来，这种传感器还可应用于人体其他部位，有望为临床智能诊疗带来全新的技术范式。