我院师生联合浙大信电学院、西交大电子学院和杭电电信学院合作发表《自然·通讯》：一种基于奇异点和离子电子的超灵敏的多模态颅内压生物遥测系统

发布时间：2024-11-11　　浏览人数：590

创伤性脑损伤（TBI）作为现代社会中导致死亡和发病率的主要病因之一，已经成为一个全球性的健康挑战。颅内压（ICP）反映了颅内脑组织、脑血容量和脑脊液之间的平衡，是TBI管理中的关键诊断参数。异常升高的ICP可能引发脑血流受限、脑缺血、炎症、继发性神经血管损伤以及脑疝等问题，是重度TBI患者死亡的最常见原因。因此，准确监测重要的生理参数，如颅内压、心率和呼吸频率，对于管理严重的颅脑损伤至关重要。

      2024年11月5日，我院博士研究生张凡和信息与电子工程学院博士研究生李杰为共同第一作者在《Nature Communications》杂志在线发表了题为”An ultrasensitive multimodal intracranial pressure biotelemetric system enabled by exceptional point and iontronics”的工作。浙江大学信息与电子工程学院骆季奎教授、西安交通大学电子科学与工程学院杨旻晔教授、杭州电子科技大学电子信息学院轩伟鹏教授和我院张韶岷研究员为该文章的共同通讯作者。该研究提出了一种超灵敏的多模态生物遥测系统，结合了离子电子压力传感器和奇异点（Exceptional point, EP），用于监测ICP信号。该系统能够高效检测微小的ICP波动，具有极高的灵敏度（115.95 kHz/mmHg）和超高的分辨率（0.003 mmHg）。除了精准监测ICP外，系统还能够区分并同时监测呼吸和心脏活动，具备了多模态监测的功能。该技术为实时无线监测ICP提供了新的思路，并具有应用于其他生理参数监测的潜力。

      当前颅内压监测设备面临多个挑战，尤其在临床应用中。传统的ICP监测方法主要依赖脑室导管，这种侵入式方式限制了患者的活动性，并带来感染、出血等并发症的风险，可能加重脑损伤或引发新神经疾病。近年来，虽然开发了各种非侵入式系统，但它们的有效性受限于ICP监测范围，无法满足重度创伤性脑损伤（TBI）患者的需求。此外，现有系统容易受患者运动伪影影响，且需要操作员的协助，进一步影响监测的准确性和实用性。许多现代传感器仍存在灵敏度低、分辨率不足的问题，无法有效捕捉微小的ICP波动。

      另一个挑战是多模态监测的需求。除了ICP，临床诊断还需要同时监测其他生理参数（如心率、呼吸频率），但这种监测往往需要大容量电池，导致生物兼容性差。此外，传统的电容压力传感器在灵敏度、压力分辨率和响应速度上存在局限。随着离子电子技术的发展，新型传感器具有更高的灵敏度和更好的响应性能，但仍面临无线操作的精度和稳定性问题，尤其在体内应用中，颅骨等组织屏障使得信号传输更具挑战。

图1. 无线ICP监测的基于EP的生物遥测系统

      传统无线无源传感系统利用电感电容（LC）振荡器实现，操作简便，但是在准确性、分辨率、稳定性和问询距离等封面仍然存在挑战。近年来，源于量子力学的宇称时间（PT）对称的概念已经扩展到电子学，表明非厄米电子系统在超过一定阈值后仍可以具有纯实本征谱。在EP点附近运行的系统的本征频率可能会产生巨大的变化，大大优于传统的LC无线传感系统。

图2. 对扰动极其敏感的宇称时间对称系统

      传感器采用离子材料作为电介质，通过在电极与介质之间形成电双层（EDL）来提升传感器性能。该传感器具有高灵敏度、宽广的压力检测范围和优异的分辨率，适用于生理压力监测等应用。通过对离子膜表面进行砂纸处理，增强了传感器的灵敏度，改善了其在压缩时的响应。性能评估表明，该传感器在 ICP 监测范围内表现稳定，能够精确响应微小压力变化，最小检测限为 0.003 mmHg，适合用于监测弱小的 ICP 波动。此外，传感器具备快速响应和高稳定性，经过 2000 次循环测试后仍能保持一致性，展示了其在长期生理监测中的可靠性。

图3. 离子压力传感器的设计原理及高灵敏度

      进一步研究发现，通过反射光谱监测ICP 压力波动。该系统在 EP 附近，能够精确响应 ICP 范围内（ΔP < 10 mmHg）的微小压力变化，展现出 115.95 kHz/mmHg 的高灵敏度，能检测低至 0.003 mmHg 的压力变化。与传统 LC 系统相比，EP 系统提供更高的分辨率和灵敏度，在更远的距离和复杂的物理环境下（如颅骨屏障）也能稳定工作。该系统能够有效区分噪声与压力变化，表现出极高的噪声抗干扰能力。此外，系统可在 0−2 mmHg 小范围压力变化内提供精确监测，适用于 ICP 等微小压力波动的实时监测。整体而言，基于EP的生物遥测系统具有极大潜力，能提供比现有 ICP 监测技术更高的性能，适合临床诊断和医学应用。

图4.ICP遥测系统的性能表征

      在体内实验中，通过将传感器植入兔子头骨和硬膜之间，实时监测 ICP 波动，并通过无线方式传输数据。与商业ICP 探头相比，该系统能更精确地捕捉到细微的 ICP 变化，具有更高的分辨率和时间响应能力。实验中，系统能够捕捉到 ICP 的急剧变化，并与商业 ICP 探头的数据趋势保持一致。此外，该系统还能够监测呼吸和心率变化，系统不仅在 ICP 监测上具有卓越的灵敏度，还能有效捕捉呼吸和心脏动态等多模态生理变化，为临床提供更精确的实时监测。

图5. 基于ep的生物遥测系统的多模态检测：ICP、呼吸、心跳

      综上所述，研究人员提出了一种基于EP的生物遥测系统，用于实时无线ICP监测，结合了高灵敏度的离子电子电容压力传感器。该系统具有显著提高的分辨率和灵敏度，最大相对灵敏度为115.95 kHz/mmHg，远超现有传感器。通过兔模型的体内实验验证，该系统能够精准监测ICP波动并同时跟踪呼吸和心率，简化了临床流程，提升了生物监测的实用性，具有广泛的医疗应用前景。

      本研究受到科技部STI2030-重大项目、浙江省“领雁”研发攻关计划、浙江省重点研发计划、浙江大学教育基金会全球合作基金、国家自然科学基金等项目的资助，受到浙江大学信息与电子工程学院董树荣教授、上海交通大学医学院附属仁济医院神经外科冯军峰主任和我院实验员万桂华老师的支持，受到浙江大学国际校区微纳加工中心的支持。

      原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53836-8