生物电子学:神经尘埃—用于脑部/身体接口的超声波神经传感器

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

neural sensors

©UC Berkeley

加州大学伯克利分校SWARM实验室的研究人员刚刚研发出了尘埃大小的超声波神经传感器。这种微小的神经植入物尺寸仅为0.8 x 3 x 1 mm,能够实时对周围神经系统中的肌肉、神经和器官进行电生理记录。与目前需要连接电线的传统可植入电极不同,这些传感器是无线且无电池的。这些传感器同样基于超声波技术。超声波技术在向毫米级或更小尺寸的设备供电和传输数据方面起到了非常大的作用。

什么是神经尘埃(Neural Dust)?

根据研究人员的说法,该术语描述了一种“自由浮动的,独立的毫米级传感器节点,可通过超声反向散射检测并报告局部细胞外电生理数据。”

这项新技术为电疗法提供了途径,电疗法被定义为基于生物电子学的疗法。新技术使用的无线传感器可以检测和处理来自肌肉活动的肌电图(EMG)信号和来自神经活动的神经电图(ENG)信号。记录的数据显示,它们能够刺激人体的免疫系统并改善炎症,从而防止癫痫等疾病的发作。

 

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图1:神经尘埃传感器的组件/ ©Dongjin Seo等, 2016

神经尘埃系统组装在柔性PCB上,由三个主要部分组成:一个压电晶体,一个定制晶体管,以及一对测量神经信号的电极。该系统还包括一个外部超声波收发器板,通过交替进行发射六个540纳秒脉冲(超声波能量)和监听反射脉冲来实现为传感器供电并与传感器通信。超声波能量引起的压电振动可以将外部产生的超声波的机械能转化为电能。然后,该能量会被提供给晶体管。

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图2:组装神经尘埃/ ©Dongjin Seo等, 2016

传感器的组装过程如图2所示。一个神经尘埃是以50mm厚的聚酰亚胺柔性PCB(黄色)为底座进行组装的。压电晶体(灰色;0.75 x 0.75 x 0.75 mm)和定制晶体管(霓虹绿;0.5 x 0.45 mm)通过引线键合至板面的顶部。然后使用医用级紫外光固化导电环氧银对传感器进行封装。组件之间的电连接使用的是铝线键合和导电金迹线。

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图3:神经尘埃的组件/ ©Dongjin Seo等, 2016

板底部的金记录层是裸露的,可以直接接触肌肉或神经来对电生理信号进行记录。

那么,这些神经传感器是如何监视信号的?

首先,将神经尘埃“微粒”植入腓肠肌中进行EMG记录,并与坐骨神经的神经外膜(最外层)接触进行ENG记录。来自外部换能器的超声波能量脉冲被发送到压电晶体,为晶体管供电。此过程不需要电池。然后,由两个记录电极获取的来自神经或肌肉的动作电位(电压)被发送到晶体管。发送出的超声波能量中的一部分会导致压电晶体振动,而振动又会产生“反向散射”超声波信号,该信号会对两电极之间的电生理电压进行编码。这种电生理信号可以被解码,从而获得EMG或者ENG的数据。

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图4:带有压电晶体的传感器微粒(银色立方体)/ ©UC Berkeley

目前的研究涉及到的部位为外围神经系统,通过使用一个外部超声波换能器为神经尘埃提供动力并与之通信。研究人员解释说,神经尘埃也可以植入中枢神经系统和大脑。这项技术可以进一步改善神经假体的功能控制。未来的研究内容包括将设备小型化至亚毫米级。此外,目前研究人员正在使用生物相容性薄膜制造传感器,该薄膜可以抗降解,并在体内保存十年以上。

DevicePlus 编辑团队
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