Имплантируемый датчик кислорода в крови сочетает в себе несколько передовых технологий

Исследователи изобрели этот беспроводной датчик кислорода, который работает без элементов питания, используя сочетание пьезоэффекта, ультразвука и электрооптики, а также опыта в области биохимии.

 

Вы, несомненно, видели простой в использовании датчик насыщения крови кислородом (SpO₂), который прикрепляется к вашему пальцу и почти мгновенно сообщает о результатах. Разработка этого устройства на основе двух светодиодов, которое продается всего за 20 долларов, устранила необходимость в дорогостоящих, рискованных и трудоемких инвазивных измерениях, требующих забор крови, и обеспечивает точные результаты в режиме реального времени. Это поистине удивительный и наглядный пример того, как современные оптоэлектронные технологии сделали «медицину» намного проще, быстрее и безопаснее, особенно с учетом того, что у этого подхода нет недостатков по сравнению с более старой методикой взятия проб крови (см. Ссылки с 1 по 5).

Но у этого метода измерения есть одно ограничение: он может измерять только сатурацию кислорода в системе кровообращения чуть ниже кожи (конечно, тот же предел обычно применяется и к более старому методу забора крови). Тем не менее, врачам может потребоваться контролировать этот кислородный параметр внутри тела, чтобы оценить состояние пересаженных органов или тканей, например, для раннего предупреждения о потенциальной неудачи трансплантации.

Чтобы решить эту проблему с зондированием, исследователи из Калифорнийского университета в Беркли (UC-B) создали крошечный беспроводной имплантат без канала радиосвязи, который может в реальном времени измерять уровни насыщения тканей кислородом глубоко под кожей (рис. 1). Все устройство вмещается в объем всего 4,5 мм³ (критично для инъекционных имплантатов) и питается от ультразвуковых энергетических волн. Несмотря на множество типов компонентов, весь имплантат изготавливается с использованием стандартных медицинских технологий.

 

Рис. 1. Этот общий обзор структуры беспроводного имплантируемого датчика сатурации крови может лишь в общих чертах указать на сложность, междисциплинарный характер и общую сложность этого крошечного устройства

Ожидается, что это будет первая запись в серии миниатюрных датчиков, которые могут отслеживать другие ключевые биохимические маркеры в организме, такие как pH или двуокись углерода (CO₂). Устройство демонстрирует, как, используя ультразвуковую технологию в сочетании с очень продуманной интегральной схемой, вы можете создавать сложные имплантаты, которые возможно устанавливать очень глубоко в ткани для получения данных от органов.

Дизайн устройства

Внешний ультразвуковой приемопередатчик направляет энергию извне тела к имплантату, помещенному в мышцу или глубокую ткань. Система объединяет несколько технологий для зондирования, сбора энергии и передачи данных. Имплант имеет пьезоэлектрический кристалл для сбора энергии и связи, соединенный с датчиком люминесценции для обнаружения O₂. Эта беспроводная связь выполняет две функции: это акустическая связь, обеспечивающая питание датчика посредством преобразовании на основе пьезоэлектрического эффекта, и она поддерживает двунаправленную передачу данных.

Имплант (рис.2) состоит из пьезоэлектрического кристалла (750 × 750 × 750 мкм³), microLED, O₂-чувствительной пленки, оптического фильтра, нестандартной ИС (~ 3,84 мм²), изготовленной с использованием стандартного TSMC. 65-нм процесс CMOS с низким энергопотреблением и держатель, обеспечивающий механическую поддержку во время соединения проводов microLED. Чтобы собрать датчик, кристалл прикрепляется и инкапсулируется, а затем остальные компоненты собираются на гибкой плате.

 

Рис. 2. Обзор беспроводной системы мониторинга O₂: (a) Схема системы, показанной в этой статье, для локального мониторинга O₂ в тканях у овец. Незакрепленный беспроводной имплантат O₂ хирургическим путем помещается под двуглавую мышцу бедра, и рана закрывается швами. Внешний ультразвуковой преобразователь, размещенный сверху закрытого операционного поля, устанавливает беспроводную акустическую связь с имплантатом. Преобразователь питает имплантированный датчик, передавая акустическую энергию через ткань, а затем прослушивает отражения обратного рассеяния от пьезоэлектрического кристалла датчика, в котором закодированы данные O₂. Внешний преобразователь управляется специальной системой смешанных сигналов, включая декодирование и сохранение беспроводного O₂  данные, полученные внешним датчиком. (b) Увеличенный вид платформы беспроводного датчика, включая пьезокристалл цирконата-титаната свинца (PZT) и датчик люминесценции, состоящий из µLED, напечатанного на 3D-принтере держателя µLED, сенсорной пленки O₂, оптического фильтра, и IC. (c) Для изготовления беспроводного датчика были использованы следующие этапы: (1) пьезокристалл был скреплен проводящей серебряной эпоксидной смолой, соединен проволокой с гибкой печатной платой (ПП) и инкапсулирован париленом-С; (2) другие компоненты датчика были собраны на гибкой плате, и только области, где расположены проволочные соединения, были залиты эпоксидной смолой, отверждаемой ультрафиолетом (УФ); (3) небольшой зазор (~ 50 мкм) между пленкой и держателем µLED был заполнен PDMS, и (4) части сенсора, за исключением пьезокристалла, были инкапсулированы черным силиконом с высокой проницаемостью для O₂. (d, e) Схема (d) и фотография беспроводного датчика до инкапсуляции черного силикона и сравнение размеров с пальцем (e); масштабная линейка 5 мм. (е) Вид сверху на упакованный беспроводной датчик размером 4,5 мм³ с пьезокристаллом внизу, датчиком люминесценции вверху и сравнение размеров с монетами США.

Датчик покрыт черным силиконом, чтобы избежать помех от фона из-за свечения ткани, и имеет объем обнаружения около 0,26 мм³. Размер и геометрия кристалла — это классический компромисс в инженерно-конструкторской работе, поскольку он должен обеспечивать минимальные частотно-зависимые акустические потери в ткани, способность собирать энергию для питания и оставаться в малом габарите, чтобы не влиять на общий размер имплантата.

Оптическое измерение

Оптическое устройство, воспринимающее кислород в крови, не является ожидаемой парой светодиода / фотодетектора. Вместо этого это более сложная конструкция, которая подходит для имплантации в ткани. Он использует так называемую фазовую люминометрию на основе биосовместимого люминометрического O₂ «оптрода», где измеряется фазовый сдвиг между оптической энергией возбуждения и испускания для определения времени жизни люминесценции. Оптрод состоит из полидиметилсилоксана (ПДМС), содержащего частицы диоксида кремния с адсорбированными на поверхности рутениевыми красителями.

При возбуждении фотонами с длиной волны ~ 465 нм рутениевые красители излучают свет с максимальной интенсивностью ~ 621 нм. Фотоны, испускаемые возбужденными рутениевыми красителями, затем подвергаются «столкновительному взаимодействию» с молекулами O₂, что приводит к уменьшению интенсивности и времени жизни люминесценции. Как интенсивность, так и время жизни зависят от концентрации O₂.

Почему используется более сложная схема вместо известной светодиод/фотосенсор? Для определения количества O₂ можно измерить либо интенсивность, либо время жизни. Срок службы не зависит от изменений интенсивности источника света, концентрации красителя, эффектов внутреннего фильтра и других эффектов, которые являются ограничениями датчиков, основанных на интенсивности.

Во время работы излучаемый свет модулируется прямоугольной волной с частотой 20 кГц. Оптический фильтр подавляет возбуждающий свет, а встроенный фотодиод с обратным смещением обнаруживает излучение. Это зависит от времени жизни люминесценции, которое, в свою очередь, связано с O₂ через уравнение Штерна-Фольмера, которое характеризует это явление (см. Ссылку 6).

Мощность и данные

Точно так же ультразвуковая мощность и канал передачи данных представляют собой сложную конструкцию. В режиме нисходящей связи (передачи) он возбуждает преобразователь несущей частотой 2 МГц, на которой он кодирует цифровую информацию в виде дискретных импульсов (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема полностью беспроводного O₂-система мониторинга: (a) Внешний приемопередатчик показан в верхнем левом углу, ультразвуковой канал находится вверху по центру, а беспроводной датчик показан справа. Вверху слева внешний приемопередатчик состоит из трактов TX и RX, где тракт TX кодирует данные нисходящего канала на несущую 2 МГц. Во время работы TX устройство сдвига уровня усиливает сигнал TX низкого напряжения от цифрового контроллера, а генератор импульсов высокого напряжения управляет внешним пьезопреобразователем. Путь RX включен, когда TX отключена. Отраженное обратное рассеяние ультразвука от пьезокристалла датчика улавливается тем же внешним пьезопреобразователем и преобразуется в цифровую форму схемаой приема. Вверху по центру внешний пьезоэлектрический элемент, соединенный с внешней поверхностью ткани, создает ультразвуковые волны, проходящие через ткань; они приходят к датчику после одного пролета (ToF). Нисходящая связь обеспечивает питание и команду передачи для датчика. Восходящий канал состоит из амплитудно-модулированных, обратно рассеянных ультразвуковых волн, которые поступают на внешний пьезоэлектрический кристалл через два периода ToF после отправки во время передачи. Справа: архитектура ИС датчика; CLK — часы. (b) Временная диаграмма: IC выпрямляет электрическую мощность, собранную пьезоэлементом датчика. Демодулятор с двухпозиционной манипуляцией (OOK) обнаруживает огибающую ультразвука нисходящей связи. Первая метка запускает передачу по восходящей линии связи. Два пакета данных передаются посредством цифровой амплитудной модуляции обратного рассеяния ультразвука; первый пакет содержит пять старших битов и однобитную преамбулу. Данные восходящей линии связи принимаются внешним пьезоэлектрическим преобразователем, когда внешний трансивер переключается на RX. Передача по восходящей линии связи прекращается, когда длительность третьей метки превышает ~ 64 мкс (127 колебаний несущей 2 МГц). Схема ИС имеет рабочий цикл во время передачи по восходящей линии связи, чтобы снизить потребление энергии.

Имплант начинает собирать энергию для питания после прихода ультразвукового импульса; эта энергия выпрямляется и накапливается на встроенном конденсаторе. Передача данных по восходящей линии связи начинается, когда демодулятор обнаруживает «задний фронт» в ультразвуковых данных, вводимых от внешнего приемопередатчика. Затем он генерирует «метку», которая служит эталоном для синхронизации по времени ИС датчика и внешнего приемопередатчика во время передачи по восходящей линии связи, и пакет данных передается после метки.

Пакеты данных кодируются в ультразвуковых отражениях от пьезоустройства датчика и передаются с помощью амплитудной модуляции обратного рассеяния. Эта модуляция достигается за счет изменения сопротивления электрической нагрузки, которая находится в шунте на пьезоустройстве. Это, в свою очередь, изменяет коэффициент отражения ультразвука на границе пьезоэлемента и, следовательно, амплитуду обратного рассеяния.

Очевидно, что проектирование, а затем создание такого сложного многопрофильного имплантата — это только часть истории, поскольку он должен быть протестирован и оценен как в лаборатории, так и в «полевых условиях», включая имплантацию в живую ткань животного (in vivo).

 

Ссылки:

 

1. EE World, “Blood oxygen meters, Part 1: Background and principles”
2. EE World, “Blood oxygen meters, Part 2: IC implementations”
3. American Thoracic Society, “Pulse Oximetry”
4. American College of Physicians, “Vital signs are vital: The history of pulse oximetry”
5. US National Library of Medicine, National Institutes of Health, “Takuo Aoyagi—a Tribute to the Brain Behind Pulse Oximetry”
6. Wikipedia, “Stern-Volmer relationship”

 

 

Источник: www.electronicdesign.com