Беспроводные миниатюрные имплантируемые устройства используют ультразвук для отслеживания процессов в организме

Беспроводные миниатюрные имплантируемые устройства используют ультразвук для отслеживания процессов в организме

Имплантируемые медицинские устройства широко используются для поддержки и улучшения физиологических функций, отслеживания и картирования биологических сигналов и лечения различных заболеваний. Эти устройства революционизируют здравоохранение и повышают качество жизни множества людей.

Чипы показаны на кончике иглы для подкожных инъекций. Columbia Engineers разрабатывают самую маленькую однокристальную систему, которая представляет собой полностью работающую электронную схему; имплантируемые чипы, видимые только в микроскоп, указывают путь к развитию чипов, которые можно ввести в организм с помощью иглы для подкожных инъекций для наблюдения за состоянием здоровья. Изображение предоставлено: Chen Shi / Columbia Engineering.

Ученые все больше интересуются разработкой крошечных беспроводных имплантируемых медицинских устройств для физиологического мониторинга in situ и in vivo. Такие устройства можно использовать для отслеживания физиологических состояний, таких как дыхание, уровень глюкозы, кровяное давление и температура, как для терапевтических, так и для диагностических процедур.

До сих пор традиционная имплантированная электроника была крайне неэффективной с точки зрения объема – они обычно требовали большого количества микросхем, внешних преобразователей, проводов и упаковки, а кроме того, обычно требуются батареи для хранения энергии.

Постоянной тенденцией в электронике было более плотное включение электронных компонентов, часто с переносом увеличивающихся функций на саму интегральную схему.

Теперь исследовательская группа из Columbia Engineering заявила, что они изготовили самую маленькую в мире однокристальную систему с общим объемом менее 0,1 мм 3 . Новая система компактна, как пылевой клещ, и ее можно увидеть только под микроскопом.

Для достижения этой цели исследователи использовали ультразвук как для подачи топлива, так и для беспроводного взаимодействия с устройством. Новое исследование было опубликовано в Интернете в журнале Science Advances 7 мая 2021 года.

Мы хотели посмотреть, насколько далеко мы сможем раздвинуть границы того, насколько маленьким мы можем сделать функционирующий чип. Это новая идея «микросхемы как системы» – это микросхема, которая сама по себе и ничем другим является полноценной функционирующей электронной системой. Это должно стать революционным для разработки беспроводных миниатюрных имплантируемых медицинских устройств, которые могут воспринимать разные вещи, использоваться в клинических приложениях и, в конечном итоге, одобрены для использования людьми .

Кен Шепард, руководитель исследования и профессор биомедицинской инженерии, Колумбийский университет

Шепард также является профессором электротехники в семье Лау.

Среди исследователей также были Элиза Конофагу, Роберт и Маргарет Харири, профессор биомедицинской инженерии и профессор радиологии, и Стивен А. Ли, аспирант лаборатории Конофагу, который помогал в исследованиях на животных.

Дизайн романа был разработан Чен Ши, докторантом и первым автором исследования. Дизайн Ши отличается своей объемной эффективностью, пропорцией функции, заключенной в определенном объеме.

Обычные радиочастотные каналы связи не подходят для такого маленького устройства, потому что длина волны электромагнитной волны очень велика по сравнению с размером устройства.

Длины волн для ультразвука относительно меньше на определенной частоте, потому что скорость звука намного меньше по сравнению со скоростью света. Следовательно, исследователи использовали ультразвук как для питания устройства, так и для беспроводного взаимодействия с ним. Команда построила «антенну» для питания и взаимодействия с ультразвуком прямо над чипом.

Чип, представляющий собой целую имплантируемую / инъекционную частицу без какой-либо дополнительной упаковки, был создан Тайваньской производственной компанией по производству полупроводников, и в чистом помещении Columbia Nano Initiative и Городском университете Нью-Йорка передовых научных исследований было проведено множество модификаций процесса. Центр (ASRC) Нанофабрикация.

Это хороший пример технологии «больше, чем Мур» – мы ввели новые материалы в стандартный дополнительный металл-оксид-полупроводник, чтобы обеспечить новую функцию. В этом случае мы добавили пьезоэлектрические материалы непосредственно в интегральную схему, чтобы преобразовать акустическую энергию в электрическую .

Кен Шепард, руководитель исследования и профессор биомедицинской инженерии, Колумбийский университет

« Ультразвук продолжает приобретать клиническое значение по мере появления новых инструментов и методов. Эта работа продолжает эту тенденцию », – добавил Конофагу.

Задача исследователей – изготовить чипы, которые можно вводить в организм с помощью иглы для подкожных инъекций, а затем передавать обратно из организма с помощью ультразвука, предлагая данные о том, что они количественно определяют на месте. В то время как существующие устройства позволяют количественно определять температуру тела, команда работает над еще несколькими вариантами.

Ссылка на журнал:

Shi, C., и др. . (2021) Применение имплантируемой частицы размером менее 0,1 мм 3 для беспроводного измерения температуры in vivo в реальном времени. Достижения науки. doi.org/10.1126/sciadv.abf6312.

Источник: https://www.engineering.columbia.edu/[19459008visible

Source link