VCSEL+超聲換能器實現(xiàn)可穿戴光聲傳感貼片

加州大學圣地亞哥分校（UC San Diego）開發(fā)的可穿戴光聲傳感貼片有望用于臨床實踐和研究。

這款可穿戴光聲傳感貼片可以幫助臨床醫(yī)生診斷腫瘤、器官功能障礙等疾病

對血流和血管進行非侵入性成像，是許多生物光子學技術(shù)實現(xiàn)臨床價值的關(guān)鍵。

調(diào)研顯示，尤其是血紅蛋白分子成像，其所帶來的影響巨大，該技術(shù)將有助于“分散醫(yī)療，以及將可穿戴技術(shù)應用于病患的自我監(jiān)測”。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的研究人員對這一課題做出了新的貢獻，他們開發(fā)了一種可穿戴電子貼片，能夠監(jiān)測深層組織中的生物分子，包括血紅蛋白。該研究成果已發(fā)表于近期的Nature Communications。

加州大學圣地亞哥分校Sheng Xu表示：“血紅蛋白在體內(nèi)的數(shù)量和位置，可以提供有關(guān)血液灌注或特定位置積聚的關(guān)鍵信息。我們開發(fā)的可穿戴貼片在密切監(jiān)測高危人群方面顯示出巨大潛力，有助于在緊急時刻為病患提供及時干預?！?/p>

可穿戴電子貼片結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。該貼片包括VCSEL陣列和壓電式超聲換能器陣列，由蛇形銅電極互連。吸收光能后，紅細胞中的血紅蛋白分子發(fā)生熱彈性膨脹，并將聲波輻射到周圍介質(zhì)中。然后，超聲換能器陣列收集光聲波，并傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。

這種貼片基于光聲（PA）傳感技術(shù)，這是一種將血紅蛋白分子暴露于快速激光脈沖，并對所產(chǎn)生的瞬態(tài)超聲脈沖進行成像的技術(shù)。光聲成像作為一種血紅蛋白標測技術(shù)，以及MRI或X射線CT的替代技術(shù)，十多年來一直是臨床研究的主題。

加州大學圣地亞哥分校將光聲成像技術(shù)與柔性可穿戴貼片概念相結(jié)合，類似于目前可用的采用電化學或光學傳感模式的設(shè)備。特別值得注意的是，該團隊的目標是能夠感知深層組織中的分子，這些分子與代謝過程的相關(guān)性，要強于現(xiàn)有貼片技術(shù)能夠檢測的表面分子。

深度觸及內(nèi)臟器官，一個巨大的挑戰(zhàn)

該貼片集成了24個高功率850 nm垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列，分四排等間距的排列，并串聯(lián)連接，在VCSEL列之間布置了240個壓電式超聲換能器。

柔性光聲傳感貼片在不同變形下的光學照片。中間和右側(cè)圖片中的插圖分別是單個超聲換能器元件和VCSEL二極管的光學顯微照片。

據(jù)論文介紹：“由蛇形金屬電極互連的VCSEL二極管和超聲換能器陣列封裝在彈性基體中。高功率VCSEL二極管可以產(chǎn)生穿透2 cm以上生物組織的激光脈沖，并激發(fā)血紅蛋白分子產(chǎn)生聲波?！?/p>

體內(nèi)血管成像和靜脈阻塞試驗

在試驗中，該貼片被應用于組織模型和離體豬組織，然后對志愿受試者進行了測試，其中深度穿透測量為1.1 cm。研究團隊表示，在這些深層組織中實現(xiàn)了具有亞毫米空間分辨率的血紅蛋白三維映射。

未來進一步的研究將包括使用更高功率的VCSEL，因為檢測深度與照明光強度息息相關(guān)。該項目指出，由于人體器官和外部皮膚之間的距離，對人體心臟進行光聲成像仍然“極具挑戰(zhàn)”，但更高功率的光源可以提高對內(nèi)臟器官區(qū)域的檢測深度。

加州大學圣地亞哥分校Xiangjun Chen表示：“持續(xù)監(jiān)測對于及時干預以防止危及生命的情況惡化至關(guān)重要?；陔娀瘜W實現(xiàn)生物分子檢測的可穿戴器件（不限于血紅蛋白），是長期可穿戴監(jiān)測應用的理想方案?！?/p>

審核編輯：劉清