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美國(guó)俄亥俄州立大學(xué):研發(fā)無(wú)線觸覺(jué)傳感系統(tǒng),有望為癱瘓病人提供恢復(fù)途徑

更新時(shí)間:2025-03-14   點(diǎn)擊次數(shù):17次

近日,美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)助理教授和合作者研發(fā)出一款無(wú)線觸覺(jué)傳感系統(tǒng),它由三個(gè)部件組成:

部分是一個(gè)平行板電容力傳感器,包含一個(gè)上層二氧化硅板、一個(gè)中層二氧化硅板和兩板間的空隙;

第二部分是一個(gè)微型的無(wú)線傳輸模塊,可用于完成植入傳感器、以及可穿戴信號(hào)中繼單元之間的能量通信和數(shù)據(jù)通信;

第三部分是具有生物相容性和隔絕水汽的封裝,即通過(guò)激光熔合技術(shù),將傳感器和電路封裝在二氧化硅晶片中。

封裝之后的系統(tǒng)尺寸為直徑 6 毫米、厚度 1.7 毫米,外觀是一個(gè)圓形結(jié)構(gòu)。通過(guò)一個(gè)側(cè)面皮膚切口,課題組把傳感系統(tǒng)植入到獼猴手的指尖末節(jié)下方并縫合皮膚。


經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),植入的電容傳感系統(tǒng)的靈敏度為 0.8pF/N,且擁有良好的可重復(fù)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

隨后,該團(tuán)隊(duì)在動(dòng)物身上開(kāi)展了針對(duì)植入式傳感系統(tǒng)的耐受性研究。他們把一個(gè)直徑 3 毫米的傳感器模型植入到獼猴的指尖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)創(chuàng)傷在 3 周內(nèi)愈合,獼猴沒(méi)有并發(fā)癥和感染跡象,表現(xiàn)出了優(yōu)良的耐受性,且沒(méi)有出現(xiàn)其他不適或自傷行為的跡象。


從體外實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)看,這款植入式電容傳感器系統(tǒng)的外形尺寸十分適合在指尖皮下植入,并且可以準(zhǔn)確地測(cè)量觸覺(jué)力。

總的來(lái)說(shuō),本次成果為失去觸覺(jué)感知能力的癱瘓病人提供了一種實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的新途徑,能在廣泛的觸覺(jué)壓力范圍之內(nèi)提供優(yōu)秀且穩(wěn)定的敏感性。


同時(shí),其所采用的生物兼容封裝,對(duì)于可植入感知系統(tǒng)的研究有廣泛的實(shí)用價(jià)值,尤其是將有希望改變癱瘓人群的生活。


根據(jù)衛(wèi)生組織的估計(jì),范圍內(nèi)有數(shù)百萬(wàn)人患有不同程度的癱瘓。許多人遭受性的手臂和手部功能障礙。這些幸存者無(wú)法執(zhí)行日常生活的基本活動(dòng),而且他們中的 85% 失去了就業(yè)機(jī)會(huì)。


除了失去工作機(jī)會(huì)之外,四肢癱瘓患者的終身護(hù)理成本超過(guò)了 2 百萬(wàn)美元。因此,家庭和社會(huì)承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)相當(dāng)巨大。


癱瘓時(shí),脊椎神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或功能障礙會(huì)中斷大腦和肌肉之間的通信,導(dǎo)致肌肉控制受損并通常伴隨感覺(jué)喪失。

癱瘓患者要想恢復(fù)日?;顒?dòng),就需要兩方面的硬件基礎(chǔ),一是需要對(duì)肌肉進(jìn)行受控刺激以誘發(fā)運(yùn)動(dòng),二是需要傳感器向大腦提供手與物體互動(dòng)的體感反饋。


近年來(lái),已有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的研究,利用腦機(jī)接口控制的刺激,癱瘓患者可以在沒(méi)有感覺(jué)的情況下恢復(fù)手的運(yùn)動(dòng)能力。


然而,將感覺(jué)反饋引入這些腦機(jī)接口控制的刺激仍然是一個(gè)未解決的挑戰(zhàn)。雖然可穿戴傳感器可以為傳遞觸覺(jué)功能提供潛在解決方案,但它們也伴隨著一些不足之處,如使用壽命有限、在下雨洗澡等場(chǎng)景下使用不便、以及美觀度不佳等。


在本次研究之中等人另辟蹊徑,以患者的全天候使用為前提,并把目標(biāo)定為:開(kāi)發(fā)植入式觸覺(jué)傳感器系統(tǒng),幫助癱瘓患者實(shí)現(xiàn)正常人生活狀態(tài)下的手部觸覺(jué)。


即通過(guò)傳感器將捕獲的信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)?/span>腦,腦則能激活傳感器對(duì)應(yīng)的體感區(qū)域,從而完成與脊椎神經(jīng)信號(hào)反饋相同的功能,并產(chǎn)生觸覺(jué)。


自 2017 年立項(xiàng)以來(lái),該團(tuán)隊(duì)逐步攻克了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),包括用于運(yùn)動(dòng)感知和神經(jīng)刺激的可植入式微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器,用于信號(hào)和能量通信的超低功耗的無(wú)線集成電路,以及神經(jīng)和肌肉行為的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)等。


研究伊始,他們探索了如何匹配醫(yī)學(xué)和工程之間的接口。將醫(yī)生對(duì)于性能的要求(如尺寸符合植入需求、測(cè)量范圍滿足日常使用、生物可兼容)轉(zhuǎn)換到具體器件上。


后來(lái),他們從美國(guó)食品及藥物管理局批準(zhǔn)的植入式醫(yī)療系統(tǒng)著手尋找合適的可植入材料,考慮了加工過(guò)程與電路的可兼容性和可滿足長(zhǎng)期植入的氣密性封裝,通過(guò)仿真確認(rèn)了滿足尺寸要求的器件測(cè)量原理、量程、靈敏度。

來(lái)源:傳感器專家網(wǎng)

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