? 在尋常的活檢中，醫(yī)生需要尋找你的組織，在你的身體里“挖呀挖呀挖，找呀找呀找”。如果有一種技術(shù)，可以讓活檢針頭準(zhǔn)確地到達(dá)目的地，豈不是可以少受很多罪？ 近日，來(lái)自德國(guó)漢堡飛利浦實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Jürgen Rahmer及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)將現(xiàn)有技術(shù)與尺寸約為1立方毫米的微型化傳感器相結(jié)合，使其應(yīng)用于微創(chuàng)醫(yī)療或患者監(jiān)測(cè)等方面。該研究以“Miniature magneto-mechanical resonators for wireless tracking and sensing”為題發(fā)表在權(quán)威期刊Science上。

圖|（來(lái)源：Science）

什么是傳感器？

“傳感器”，聽(tīng)起來(lái)高大上的名詞，卻存在我們生活的方方面面，例如煙霧報(bào)警器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)、照相機(jī)、電子稱(chēng)等。 所以，傳感器其實(shí)就是一種檢測(cè)裝置，可以感受到被檢測(cè)的信息，并將檢測(cè)到的信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為其他信號(hào)。比如電子稱(chēng)感受到了你的壓力，于是壓力施加給傳感器，該傳感器的變化引起阻抗的變化，從而引起電信號(hào)的變化，電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸出為可視化的數(shù)字。 隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器也逐漸應(yīng)用到醫(yī)療檢測(cè)當(dāng)中。在本文中，且看作者如何將傳感器用于醫(yī)療檢測(cè)，讓我們少受容嬤嬤般扎人的折磨。

隔空移動(dòng)

研究人員設(shè)計(jì)了一種磁機(jī)械諧振器（MMR），由兩個(gè)球形釹鐵硼磁鐵組成，一個(gè)固定在圓柱形外殼上，另一個(gè)懸掛在細(xì)絲上。懸浮的球體是由磁鐵的相互吸引力固定，這種吸引力比重力高出3個(gè)數(shù)量級(jí)！其中，固定磁體的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)磁矩成反平行排列。

MMR產(chǎn)生電流脈沖后，通過(guò)電磁線圈傳輸來(lái)激發(fā)振蕩，之后，振蕩磁矩在這些線圈中產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓經(jīng)過(guò)放大后代表接收到的信號(hào)。MMR軸承的低摩擦轉(zhuǎn)化為緩慢的信號(hào)衰減，因此短激勵(lì)周期可以與長(zhǎng)窗口交替進(jìn)行信號(hào)采集。

線圈上的信號(hào)幅值分布用于跟蹤，而MMR信號(hào)的頻率不攜帶空間信息。它可以用來(lái)測(cè)量改變兩個(gè)磁球之間距離的物理參數(shù)，從而調(diào)制振蕩頻率。 簡(jiǎn)而言之，這種傳感器由兩個(gè)磁鐵組成，一個(gè)固定在塑料外殼上，另一個(gè)可以扭曲和振蕩。外部設(shè)備使用電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而移動(dòng)第二個(gè)磁鐵。該設(shè)備通過(guò)測(cè)量第二個(gè)磁鐵的變化來(lái)收集讀數(shù)。

圖|MMR系統(tǒng)組成及信號(hào)響應(yīng)（來(lái)源：Science）

對(duì)于該研究，馬德里微納米技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)納米機(jī)械傳感器的物理學(xué)家Montserrat Calleja Gómez認(rèn)為這種傳感器的設(shè)計(jì)非常聰明且極具創(chuàng)意，跳出了傳統(tǒng)傳感器的框架。 那么這種傳感器可以用來(lái)做什么呢？

導(dǎo)航啟動(dòng)！

研究人員為了測(cè)試其準(zhǔn)確性，便讓蜜蜂和MMR共舞。他們將MMR（大約15毫克，1.8毫米；商用傳感器尺寸為11毫米）綁在蜜蜂身上，使其在距離線圈陣列200毫米的距離上行走和飛行并被實(shí)時(shí)跟蹤。每次測(cè)量都提供蜜蜂的瞬時(shí)位置（x,?y, z）和姿態(tài)（俯仰，偏航，滾轉(zhuǎn)），即6自由度信息。根據(jù)跟蹤數(shù)據(jù)和相機(jī)視圖可知，飛行蜜蜂的速度高達(dá)每秒600毫米。

結(jié)果表明，該傳感器可以追蹤飛行中蜜蜂的路徑和方向。 此外，Jürgen Rahmer的團(tuán)隊(duì)還將傳感器安裝在了活檢針的尖端，并將其注射到一個(gè)組織中，以驗(yàn)證傳感器是否可以幫助指導(dǎo)醫(yī)療器械。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器準(zhǔn)確地跟蹤了針頭，并通過(guò)提供針頭位置的地圖，使科學(xué)家能夠?qū)⑵鋵?dǎo)航到目標(biāo)區(qū)域（在這種情況下，斑點(diǎn)內(nèi)有一個(gè)假白球）。作者表明，在現(xiàn)實(shí)世界中，傳感器可以將活檢針、導(dǎo)管和其他儀器引導(dǎo)到確切的目標(biāo)，以進(jìn)行治療、收集細(xì)胞樣本或解剖一塊組織。

圖|蜜蜂的行蹤被實(shí)時(shí)跟蹤（來(lái)源：Science）

圖|傳感器用于活檢（視頻經(jīng)加速處理）（來(lái)源：Science）

令人興奮的是，這種傳感器除了“導(dǎo)航”作用，還可以感受壓力的變化。Nakatsuka表明，這種功能在未來(lái)的某一天或許可以連續(xù)性地檢測(cè)人體血壓。為了演示該功能，研究人員采用一個(gè)密封的MMR壓力傳感器承受壓力變化。其中擴(kuò)散密封的金屬外殼是可壓縮的，類(lèi)似于普通的無(wú)氣壓計(jì)。傳感器的靈敏度和測(cè)量范圍可以通過(guò)外殼的剛度來(lái)調(diào)節(jié)。其中，頻率的變化便是壓力的變化，其量程覆蓋了300毫米汞柱的壓力范圍，足以用來(lái)測(cè)量人體血壓。

圖|壓力測(cè)試（來(lái)源：Science）

總之，MMR實(shí)現(xiàn)了傳感技術(shù)的微型化，使其在線性尺寸上比現(xiàn)有的LC諧振器技術(shù)小1~2倍。并且，MMR傳感器的范圍最遠(yuǎn)可以檢測(cè)到25厘米內(nèi)的信號(hào)，而現(xiàn)有傳感器的檢測(cè)范圍僅有5厘米左右，這大大提高了傳感器的實(shí)用性。 此外，與純機(jī)械諧振器相比，第二個(gè)磁體提供的磁恢復(fù)扭矩對(duì)應(yīng)于低剛度或扭轉(zhuǎn)常數(shù)，從而產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷闹C振頻率。低頻率的好處是在金屬物體或病人體內(nèi)產(chǎn)生較少的渦流，從而減少屏蔽效應(yīng)。

物美價(jià)廉

這么高級(jí)東西，一定很貴吧！事實(shí)上，MMR可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的低成本制造，飛利浦的物理學(xué)家Bernhard Gleich表示，“除了磁鐵外，你只需要一點(diǎn)點(diǎn)塑料管，一點(diǎn)點(diǎn)繩子，一點(diǎn)點(diǎn)粘合劑，你就可以把所有東西放在一起?！辈⑶?，MMR組件不需要高精度，因?yàn)榇帕?huì)自動(dòng)使振蕩球體居中。這些優(yōu)點(diǎn)加上MMR的小尺寸及其約25厘米的無(wú)線探測(cè)距離或許可以實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。 研究人員表示，將MMR集成在藥丸中，可以在患者的胃腸道內(nèi)進(jìn)行無(wú)線檢測(cè)。彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法要么需要身體接觸的檢測(cè)貼片，要么需要厘米大小的電子藥丸的不足。

此外，胃腸道中的MMR傳感可以同時(shí)傳遞身體核心溫度、蠕動(dòng)壓力、pH值或腸內(nèi)容物粘度。 在外科應(yīng)用中，MMR可用于標(biāo)記腫瘤組織以指導(dǎo)切除。對(duì)于監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療解決方案，微型MMR傳感器可以直接在血流中操作，例如用于測(cè)量血壓等生理參數(shù)或用于植入設(shè)備的功能監(jiān)測(cè)。除了用于醫(yī)療器械，MMR也可以集成到產(chǎn)品和消耗品中。

盡管如此，Gleich估計(jì)，該設(shè)備可能需要5到8年才能用于人類(lèi)最簡(jiǎn)單的應(yīng)用，研究人員仍然需要做很多工作來(lái)確保傳感器在正常工作的同時(shí)，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。?

審核編輯：劉清