用于医用导管和植入装置的微型压电力传感器学术资讯

来源：ACS美国化学会

微型力传感器可有助于在术中或恢复期的体内压力实时监控，故本文作者研制了由聚偏二氟乙烯-共三氟乙烯(P(VDF-TrFE))制成的力传感器。该传感器具有简单的制造工艺，本文即将其集成到医用导管尖端进行导管内压力监测，也将其集成到通过近场通信(NFC)接口获得180μW功耗的可植入设备中来监测皮下水平(≤1 cm)的动脉搏动。所研制的压力传感器支持的40 kPa以内的压力测量，信号响应度为0.63μV/Pa，同时在正常生理条件(12 kPa)下具有400000个负载循环的平均预期寿命。体内压力的监测可以用于洞察组织动态平衡的状态，因为在某些健康状况下流体动力学会发生变化，从而影响血液动力学和内分泌机体系统。同时对于外科手术而言，精确控制和估算导管在内壁上施加的压力可以避免内皮损伤，以免引起组织出血、液体渗出或动脉粥样硬化导致的血流改变。

图1. (a) 所研制的压力测量系统，包括尖端上放置的两个力传感器的医用导管和与之连接的接口 PCB (插图为传感器的放大视图). (b) 具有柔性 PCB 设计和在手机应用程序上接收的无线压力信号的可植入设备的制造流程。

图1a描绘了已开发的压力测量系统，包括尖端上放置了两个力传感器的医用导管和与之连接的接口 PCB。它可以提供高分辨率的双峰压力测量(分辨率为16位)，并通过电隔离的通讯线连接至计算机以避免导管和电网线之间的直接物理连接。无电池可植入设备的电子电路是在柔性 Kapton 基板上开发的，力传感器与 NFC 天线一起连接到该基板上，并使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料进行保护(图1b)。NFC 接口可从手机RF场直接从中获取能量，并将压力数据传输到定制的应用程序中。

图2. (a) 力传感器施加不同的负载(压力，间隔0.5秒)而产生的电压信号。(b) 施加的负载和力传感器产生的压电输出电压(最大值)之间的线性拟合。(c) 力传感器在受不同负载驱动时的以1 kHz为中心的阻抗幅度变化。(d) 传感器的阻抗变化与施加的负载的线性拟合。

在医用导管中，压力测量原理是基于传感器在不同机械负载下产生的不同的压电电压(如图2a所示)，并通过 PCB 接口对高输入阻抗直接进行采集。通过改变负载的大小，可以获得将施加的压力与力传感器的输出电压相关的校准曲线(图2b)。另一方面，由于植入式技术在物理尺寸和功率要求方面面临着众所周知的局限性，导致无法直接测量力传感器产生的输出电压，因此我们开发了一种新的测量原理。力传感器的电阻抗在不同的负载条件下以1 kHz (交流状态)记录(图2c)，从而获得线性拟合(图2d)。因此为了降低功率预算和与可植入设备相关的物理尺寸，可以在电子侧采用具有受限信号带宽和输入阻抗的较小放大器来直接与力传感器接口。

图3. (a) 在肺部组织内测试带有双侧压力感应(接触)的医用导管。(b) 动脉搏动(腕)测量时的可植入设备的位置。(c) 由肺左叶分支内的两个力传感器获得的压力信号。(d) 用 NFC 显示的径向压力信号。

所研制的传感器和不同读取技术已经分别完成了在肺部模型内测试(图3a)和动脉压力测试(图3b)。在猪肺测试实验中中，医用导管穿过气管和左支气管，并到达大叶分支与肺壁建立接触。实验中反复地在狭窄的气管通道内推进和撤回导管，同时记录了图3b中形式的接触压力信号；在可穿戴测试实验中，将小型可植入设备压在志愿者的手腕皮肤上，以检测该身体部位血液循环产生的脉搏信号，如图4d所示，信号可以在生理幅度内区分主要的脉搏特征。

来源：gh_0320d0d498b4 ACS美国化学会

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMjgzMzI0Ng==&mid=2247504742&idx=1&sn=7264739cac6b801cff5dbd05ab378cab&chksm=e825ec57df52654117fcef266a9365641bcfd0989ddbf1f54b62b04ff0ccc95a2ec55ba58181&scene=27#wechat_redirect

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn