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微小植入型传感器 监测人体内酒精含量

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微小植入型传感器 监测人体内酒精含量

可以植入皮肤表面的微型酒精监测芯(与25美分硬币的大小对比图)

据麦姆斯咨询报道,加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发出一种微型、功耗超低、可植入皮肤表面的生物传感器,能长期连续地对体内酒精含量进行监测。芯片的尺寸非常小,因此可以植入人体皮肤的表皮之下,并采用如智能手表或智能贴片(patch)等无线可穿戴设备供电。

“这项工作的最终目标是为滥用药物治疗项目的病人开发一种常规且容易被接受的酒精和药物监测设备。”加州大学圣地亚哥分校雅可布工程学院的电气工程教授Drew Hall谈到。Hall也供职于加州大学圣地亚哥分校的无线通信中心和可穿戴式传感器中心。他的团队于4月10日在圣地亚哥召开的2018届IEEE定制化集成电路会议上(CICC)提出了这项工作。

病人的治疗方案面临的挑战之一是缺乏方便的常规监测工具。Hall认为,呼吸分析仪是目前估测血液中酒精浓度的最常见方式,缺点是笨拙、初始化时间长且不够准确。验血是最精确的方法,但需要训练有素的技术人员才能完成。形似“纹身”的酒精监测传感器是可以“穿”在皮肤上的新选择,也方便在一次性使用后“脱下”,是一种前景光明的传感器。

Hall说:“微小植入型传感器可以在没有手术室的诊所内使用,使病人更容易按照规定的疗程进行长时间的监控。”

这款生物传感器芯片体积大约为一立方毫米,可以植入在皮肤下的细胞间液(细胞间液是一种存在于身体细胞间质中的组织液)。这款生物传感器内有一个被酒精氧化酶覆盖的传感器,酒精氧化酶可以选择性地与酒精相互作用产生副产品,从而通过电化学的方式被检测到。电信号被无线传输到附近的可穿戴设备(如智能手表),可穿戴设备同时也是给传感器无线充电的装置。芯片上的另外两个传感器则负责测量背景信号和pH值。为了保证酒精读数更准确,这两个传感器已被取消。

研究人员在设计时尽量将功耗降至最低,共970纳瓦,大约是智能手机通话时功耗的百万分之一。“我们不想看到芯片对可穿戴设备的电池寿命产生明显的影响,”霍尔说:“我们不希望在植入了传感器的皮肤部位出现大量发热,也不希望有潜在毒性的电池。”

这种超低功耗芯片的工作方式之一是通过一种称为反向散射的技术传输数据。当附近有智能手表这类设备向芯片发送射频信号,芯片则将数据修改并返回反射信号给智能手表。研究人员还为芯片设计了超低功耗传感器读出电路,将测量时间减少至三秒,从而降低了功耗。

研究人员已完成体外环境对植入人体的模拟测试,主要通过将乙醇混合在稀释的人体血清再植入猪的皮肤下。

为了将来的研究,研究人员计划在动物活体上进行芯片的测试。Hall的团队与在加州圣地亚哥Qualcomm Institute Innovation Space成立的创业公司CARI Therapeutics、在加州圣地亚哥专攻物质滥用障碍个体治疗的成瘾精神病学家Carla Marienfeld博士开展合作,优化下一代康复监测芯片。Hall的团队正在研发这种可以监测体内其他分子和药物的生物芯片。

“这是一项概念平台已被证明的技术。我们已经证明这种芯片可以用于酒精监测,但我们将研发出可以监测不同滥用物质的芯片。并且可以根据病人需求,定制监测所需物质的芯片,以提供长期的个性化医疗监测。”霍尔说。

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