電子技術、傳感器技術和無線通信的進步正在融合，為從內部監測人體開辟了一些令人興奮的可能性，從跟蹤骨科植入物狀態的傳感器到工作完成后就會溶解的氣體檢測設備。加州大學伯克利分校的工程師們已經展示了這種技術的新形式，可以用來檢測深層組織中的氧氣水平，希望它能成為追蹤移植器官健康狀況的工具，以及被應用于其他方面。

　　器官移植后血管并發癥可能導致移植器官缺血、功能障礙或丟失。成像方法可以提供對移植器官灌注的間歇性評估，但需要熟練的從業人員，并且不能直接評估移植器官內的氧合作用。現有的用于監視組織氧合作用的系統受到有線連接需求的限制，無法提供實時數據或只能提供限于表面組織的數據。

　　有鑒于此，美國加州大學伯克利分校的Michel M. Maharbiz、Soner Sonmezoglu等研究人員，利用毫米級超聲植入物監測了深層組織的氧合作用。成果發表在Nature Biotechnology上。

　　研究人員研發了一種用于監測深層組織O2的微創系統，該系統可提供從綿羊組織厘米級深度到離體豬組織10 cm深度的連續實時數據。該系統由毫米大小的無線超聲波供電可植入式O2傳感器和用于雙向數據傳輸的外部收發器組成，可對手術或重癥監護適應癥患者進行深層組織氧合作用監測。

　　開發這種微小的無線植入物是為了填補目前測量體內組織含氧量的方法中的一個漏洞，其中一些方法涉及使用電磁波收集信息，但只能穿透皮下幾厘米。磁共振成像是另一種測量深層組織含氧量的方法，但需要一定的時間來執行，而且無法提供實時結果。

　　該團隊的新植入物比瓢蟲還要小，它實際上是建立在早期創造的一種名為“神經塵埃”的基礎上，這是一種微小的無線植入物，只有一粒沙子大小，可以實時跟蹤神經信號和肌肉活動。它通過檢測神經電活動中的電壓峰值，并通過超聲波將其傳遞給外部設備。最近的一個版本被稱為StimDust，能夠實際刺激神經，作為一種潛在的治療慢性疼痛和癲癇的方法。

　　新的植入物長4.5毫米，寬3毫米，包含一個氧感應薄膜、一個微型LED和一個光學過濾器，它們一起工作，以測量周圍組織的含氧量。這種傳感器通過一個集成電路進行控制，輸出一個根據氧含量變化的電子信號。壓電晶體將這些電子信號轉換成超聲波，然后通過活體組織傳送到外部設備。

　　“測量身體深處的東西非常困難，”加州大學伯克利分校電子工程和計算機科學教授Michel Maharbiz說，“該設備展示了如何使用超聲波技術加上非常聰明的集成電路設計，你可以創建復雜的植入物，深入到組織中，從器官中獲取數據。”

　　該研究的作者在活羊身上演示了該設備，并認為它在兒科護理方面具有潛力，早產兒可以植入它，以確保他們被給予正確的補充氧氣量。其他的可能性包括監測移植器官的健康狀況，甚至改善癌癥治療。

　　“這種設備的一個潛在應用是監測器官移植，因為在器官移植后的幾個月內，可能會發生血管并發癥，這些并發癥可能會導致移植功能障礙，”研究作者Soner Sonmezoglu說，“它也可以用來測量腫瘤缺氧，這可以幫助醫生指導癌癥放射治療。”

　　科學家們希望進一步改進該裝置，既要使其能夠在體內長期存在，又要使其體積更小，這將使植入更簡單。其他的可能性還包括調整傳感器的設計，以追蹤體內的其他生物化學成分。

　　“只要改變我們為氧氣傳感器構建的這個平臺，你就可以修改設備來測量，例如pH值、活性氧物種、葡萄糖或二氧化碳，”Sonmezoglu說，“此外，如果我們能夠修改包裝，使其更小，你可以想象能夠用針頭注射到體內，或者通過腹腔鏡手術，使植入更容易。”

　　技術難題

　　為了臨床上采用無線O2傳感系統來使用慢性體內O2跟蹤，必須解決許多技術難題。

　　第一個挑戰是通過外部收發器對植入物進行定位，因為手術后的體內位置可能會相對于任何外部基準點發生漂移。這種運動可能是由于來自身體外部的壓力，運動或呼吸以及疤痕形成而引起的。可以通過相控陣收發器實現每次pO2測量之前的體內定位，該相控陣收發器首先使用US背向散射信息來查找，然后跟蹤與時間有關的植入物在體內的位置。

　　第二個挑戰是因為異質組織中不同的US傳播路徑之間由于吸收和散射引起的聲衰減會發生變化。具有較高衰減的路徑可能會大大降低系統功率傳輸效率和數據傳輸可靠性。于此，具有能夠將能量聚焦到植入物上的具有大孔徑、多元素換能器陣列的外部收發器將允許沿著優選路徑操縱US光束。最后，相控陣列還可以潛在地用于以時分多路復用方式或同時詢問植入目標組織不同位置的多個O2傳感器。

　　最后，長期在體內使用無線O2傳感器需要密封包裝，以防止生物流體滲透到電子傳感器組件和壓電晶體中。對于這項工作，研究人員使用生物相容性聚合物封裝植入物，因為它們易于用于急性和半慢性實驗。眾所周知，這些厚的聚合物材料由于其高的水蒸氣滲透性而不適合長期體內使用。

　　這項工作提出了在立方毫米體積范圍內完全可植入的光極的小型化，適用于深層組織的測量。盡管研究的重點是一種用于測量體內O2張力的系統，但基本的技術成就為微創脈搏血氧飽和度傳感器、pH傳感器和CO2傳感器等打開了大門。這些都體現在超微型深層組織系統中，將能夠進行新的診斷。