工程师们已经发明了一种微型无线植入物,可以实时测量皮肤深层组织的含氧量。该装置比普通瓢虫要小,由超声波提供能量,为各种微型传感器的制造铺平了道路,这些传感器可以追踪体内的关键生化标记物,如pH值或二氧化碳。有朝一日,这些传感器将为医生提供微创的方法来监测器官和组织内部的生物化学功能。

氧气是细胞从我们所吃的食物中获取能量的关键成分,身体中几乎所有的组织都需要稳定的氧气供应才能生存。大多数测量组织氧合的方法只能提供身体表面附近发生的信息。这是因为这些方法依赖于电磁波,比如红外光,而这种电磁波只能穿透皮肤或器官组织几厘米。虽然有些类型的磁共振成像可以提供关于深层组织氧合的信息,但它们需要很长的扫描时间,因此无法提供实时数据。

超声波是一种频率太高而人耳无法探测到的声音,它可以比电磁波在体内传播的距离远得多,对人体无害。超声波已经成为医学超声成像技术的基础。

将氧气传感器整合到微型设备中包括LED光源和光学探测器,以及设计一套更复杂的电子控制装置来操作和读出传感器。这种类型的氧传感器不同于用于测量血氧饱和度的脉搏血氧仪。脉搏血氧仪测量的是血液中血红蛋白的比例,而新设备能够直接测量组织中的氧气量。

这种无线植入物可以测量皮肤表层以下活体组织的氧合情况。(加州大学伯克利分校照片:Soner Sonmezoglu)

该设备的一个潜在应用是监测器官移植,因为在器官移植后的几个月,血管并发症可能会发生,这些并发症可能导致移植功能障碍。它也可以用来测量肿瘤缺氧,这可以帮助医生指导癌症放疗。

对于早产儿,可能需要补充氧气,但医生没有可靠的组织氧浓度读数。该设备的进一步缩小版本可以帮助重症监护室早产儿更好地管理氧暴露,并帮助减少过度氧暴露的一些负面后果,如早产儿视网膜病变或慢性肺部疾病。

该技术还可以通过安装传感器来进一步改进,这样它就可以在人体内长期存活。进一步小型化还可以简化目前需要手术的植入过程。此外,传感器中的光学平台可以很容易地适应于测量人体的其他生物化学物质。只要改变为氧气传感器搭建的平台,该设备就可以进行修改,以测量pH值、活性氧、葡萄糖或二氧化碳等。如果包装可以做得更小,该设备可以用针注射到体内,或通过腹腔镜手术,使植入更加容易。

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本文首次发表于《华尔街日报》2021年6月号yabovip16.com杂志。

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