研究人员利用阿基米德螺旋设计温度传感器 可对人体器官进行精确温度感测

香港大学的Paddy Chan和他的同事在人体皮肤上开发了机械振动触觉装置,可以模拟人体的触摸感受,已经使用基于镓的应变传感器来检测虚拟现实场景中的身体运动。

  用于健康监测的柔性电子器件一直是医疗器械发展的主要方向之一。微米厚度的超薄器件在测量生理信号方面具有良好的一致性和良好的性能,与传统的刚性衬底电子器件相比,灵活的设备可以最大限度地减少受试者的机械失配、刺激和不适。此外,通过显著降低接触阻抗,器件的共形性也可以获得更好的信噪比(SNR)。

  迄今为止,各种类型的柔性传感器已被开发用于生物医学和共形应用,已经演示了体温、动脉压、和血压等物理信号的传感器,以及心电图(ECG)、肌电图(EMG)和脑电图(EEG)等电信号的传感器,总厚度为630 nm的超薄传感器被集成到医用导管上,以实时监测患者的炎症水平。除了传感功能外,柔性电子设备还被应用于带有反馈的人机界面(HMI)设备中。

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  柔性传感器在医疗保健中的一个示例用途是柔性热致动器,其以称为热消融的程序传递集中的局部热量以破坏组织。这些装置可以附着在手术工具上或直接附着在组织上,通常通过以蛇形或半环圆形设计图案化电极来使其可拉伸。

  半回路圆形设计的问题在于,在回路的急转弯处会出现薄弱点,从而在拉伸或承受大电流时会导致电极击穿。此外,大多数现有设备的加热温度都不会超过50℃,那些确实缺少温度感应功能的设备。扩大加热温度范围并在设备中集成热传感器将使外科医生能够测量器官温度并提供更精确的热量进行消融。

  近日,香港大学的Paddy Chan和他的同事在人体皮肤上开发了机械振动触觉装置,可以模拟人体的触摸感受,已经使用基于镓的应变传感器来检测虚拟现实场景中的身体运动。在此次研究中,研究人员使用阿基米德螺旋设计可以创建一个灵活的热致动器兼温度传感器,该传感器连接到器官上以进行精确的温度感测和热消融。

  与半环圆形设计不同,阿基米德螺旋形图案没有弱点,并且它们的高长宽比确保了高阻力。为了形成集成的致动器-传感器设备,将通过光刻法产生的金和铬螺旋沉积在1.5μm的聚对二甲苯薄层上,并用另一个500 nm聚对二甲苯封装。实验表明,该装置自然包裹了器官,从而使执行器能够传递足够的热量来破坏肝脏组织。该设备在25-60℃之间显示出线性感应和加热响应,可以在不到10分钟的时间内将组织烧伤至2毫米深。与传统的射频热消融相比,要达到50℃,需要大约50 W或更高的功率输入,这些柔性设备仅需要300 mW。

  当一个执行器传感器设备连接到外科手术机械手上,另一执行器传感器设备连接在丁腈手套上时,这两个设备会相互作用,从而使手套佩戴者能够在10秒内感应到机械手所经历的热量。

  该论文的第一作者艾伯特·劳特说:“这种热敏手套非常有用,因为外科医生现在可以在进行热消融之前和之后通过机械手来'感觉'器官的温度,预期这种类型的人机交互将提供更精确的方法来热消融组织。”

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