可植入电子技术领域关键突破：用于人体器官的无线生物电子器件

植入式电子技术的最新进展为改进医疗实践中的诊断和治疗程序创造了独特的机会，而生物电子学则是可植入电子技术的关键方面之一。生物电子器件可在人体内运行，能以脑刺激器、心脏起搏器、人工耳蜗和视网膜植入物等形式传输电脉冲，以操纵器官功能和神经活动（图1）。目前研究人员正在进行广泛的研究，以设计灵活、无毒、生物相容且具有成本效益的小型生物电子器件，从神经信号中提取生理信息，以治疗各种疾病。尽管人们通常认为这些器件是植入物，但它们的可穿戴应用最近一直是人们感兴趣的话题。

典型的多功能生物电子器件包括：

①电源或电池；

②天线系统；

③控制电路；

④用于携带药物制剂的机械稳定的微型容器；

⑤超低功率电子器件。

图1. 

（a）用于器官特异性治疗和诊断的无线控制生物电子器件示意图。

（b）体内发射天线与生物电子器件无线连接。无线连接可以实现多种功能，包括无线电能传输（WPT）和数据通信。WPT为器件供电，无需电池。双向数据通信则用于实时监测和控制器件性能。

天线系统和相关的无线电路提供了一种无创方式，用于将大量实时数据（包括生理信息、器官健康和器件状态）传输到外部单元。因此，无线功能提供了便利，这与需要外科手术进行数据提取的器件不同。然而，电磁信号在通过身体组织传播时会发生衰减和吸收，从而降低器件在高效和稳健的无线数据传输链路方面的性能。文献[16]中提出了一些通过身体减少路径损耗的策略。众所周知，身体组织允许电磁波在低频下有效传播，但这是以大型天线为代价的。然而，严格的小型化要求限制了天线在紧凑可用空间内的集成。因此，天线的设计不仅对小型化至关重要，而且要考虑对辐射效率的不利影响（这些影响已经因身体组织的损耗而加剧）。天线小型化技术主要集中在低频波段，包括医疗植入通信服务（402~405 MHz）、工业科学和医疗（ISM）波段，以及接收单元最佳信号强度的MedRadio（401~406 MHz）。此外，生物电子天线已被提议用于极低频，如13.56 MHz和5 MHz。

人们对微加工技术和柔性材料日益增长的兴趣也逐渐渗透到混合式、生物兼容、共形、小型化、高效和软天线的发展中，为天线在生物电子器件中的无缝集成铺平了道路。虽然生物电子器件可以有效地调节神经活动，但它们的寿命是有限的。能量收集，包括压电、热电和生物电势技术的使用，已被用作传统电池来源的潜在替代品。尽管这些技术可以减小整体体积，但产生的功率密度不足以连续运行。最近，基于近场电磁耦合的无线电能传输（WPT）技术已被用于生物电子器件，提供了多样化的功能和更长的使用时间，同时消除了与电池电量相关的限制。为了为生物电子器件构思有效的天线设计，目前仍在进行大量的尝试，以重塑其WPT能力。

本文强调了天线系统的最新进展，特别是那些为无线生物电子器件设计的天线系统。本文的重点在于生物相容性材料、封装、制造方法、工作频率和辐射特性背景下的天线设计。随后的章节则讨论了受益于诊断和治疗应用中潜在用途的不同身体器官。

胃肠道监测

胃肠道（GI）能反映人体几乎每个器官的重大生理机能。与GI相关的常见疾病包括吞咽困难、胃食管反流、功能性消化不良、胃痉挛、慢性假性肠梗阻和肠易激综合征。为了治疗此类疾病，最近讨论了可食入生物电子器件，包括内窥镜、三维（3D）打印的胃电子器件、细菌电子系统、可食入水凝胶和无线胶囊内窥镜器件。其中一些器件已商业化，且易于用于临床程序，以一种无创的方式协助医学专家对这些疾病进行诊断和早期发现。例如，一种典型的胶囊内窥镜器件可以实时检测生物分子，并通过无线链路将体内的高分辨率图像发送给医生。医生可以通过解读这些图像来诊断各种疾病或病症，并制定相应的治疗方案。

可摄取器件包括传感器、电池单元、天线、摄像头和许多其他电子元件。文献中已经探讨了许多材料和制造方法，用于实现微型化。新兴的3D打印技术也被用于制造微型胃电子器件[图 2（a）]。然而，以最佳效率集成天线，以实现与外部单元的可靠无线通信仍然是一项重大挑战。文献研究了一系列用于可摄取器件的天线设计，并使用柔性材料实现了这些设计在共形器件周围的无缝集成[图2（b）]。由于弯曲的结构能够在空间有限的情况下实现低频共振，因此，这种结构常被用于可摄取共形天线。除了共形结构外，很少有可摄取生物电子器件被制作用于WPT和通信的嵌入式天线[图2（c）]。一些研究报道了在纤维素纤维或可生物降解的复合薄膜上瞬时可生物降解的印刷天线，以改善可摄取天线的辐射特性。

图2. 可摄取生物电子器件。

（a）带有给药组件的3D打印胃部电子器件。插图显示了在2.4 GHz的蓝牙射频（RF）下运行的天线的集成。

（b）围绕胶囊形状的器件制作的环形天线，用于无线内窥镜检查。

（c）在印制电路板（PCB）上集成部件[可编程负载电阻（数字控制电位器，DCP）、晶体（XTAL）、微控制器（μP）、RF匹配网络（MATCH）和天线（ANT）在正面，电池（BATT）和去耦电容器（CAP）在背面。该PCB被嵌入在一个胶囊状的可摄取器件中。

（b）经IEEE许可，转载自参考文献，©2019；

（c）经Springer Nature许可，转载自参考文献，©2017。

天线与其他电子电路部分的阻抗匹配是无线信号可靠发射和接收信号的主要设计标准。人体组织的介电特性随频率变化，因此会使天线的谐振频率失调。适应性强的宽频带阻抗匹配网络可以成为植入式和可摄取天线的有效替代方案，这些天线在有损耗的身体组织中会出现失谐现象。此外，可摄取电子器件在消化道中移动时可能会出现随机定向。在此背景下，文献中提出了圆极化和双极化全向天线，以减少与外部单元通信链路的损耗。为了跟踪器件在消化道中的位置，采用了聚焦于分析外部单元接收到的信号强度的定位技术。

尽管可摄取无线控制生物电子器件取得了相当大的进展，但其电池容量依然有限，导致此类器件的运行时间较短。文献中考虑了植入生物相容性电池，但会增加整个器件的尺寸，因此不方便。作为替代方案，WPT被认为是可摄取生物电子器件的首要策略。

视网膜假体

黄斑变性（MD）和视网膜色素变性（RP）等眼部疾病主要影响老年群体的视力，可导致完全失明或视觉功能障碍。人体视网膜中的空间有限，是治疗眼部疾病的主要瓶颈。此外，由于存在感染的风险，研究人员认为带连接线的视网膜植入物不可行。因此，用于视网膜假体的无线技术已被广泛报道，以实现对植入物功能的无线控制。

视网膜假体的典型系统包括眼外系统和眼内系统。视觉数据由眼外系统捕获，并通过天线系统无线传输，而眼内系统则由电极阵列、天线和信号处理单元组成。天线用于建立眼外系统和眼内系统之间的无线链路，以及进行功率传输。小型天线是视网膜植入物的首选，其尺寸的微型化技术已在文献中得到广泛讨论，如弯曲的微带线、导线、折叠的偶极子。尽管如此，对集成天线于眼内系统器件至关重要的微型化技术，往往会导致窄带宽和低收益。参考文献报道了一种三角形的微带贴片天线，以提高无线视网膜假体的植入与外部子系统的带宽。

参考文献报道了用于电刺激视网膜神经元的视网膜前膜植入物。该器件与接收（Rx）线圈、电子器件和电极阵列相结合，通过手术植入眼睛周围。传输（Tx）线圈被整合到外部眼镜中，外部眼镜还包括视频处理单元（VPU）、摄像机和线圈。Tx线圈将处理后的视频图像数据传输到安装在眼睛周围的Rx线圈。3.156 MHz的振幅调制用于Tx和Rx线圈之间的数据通信以及WPT。另一项研究表明，在视网膜前部放置基于线圈的天线可以提高与主线圈的电感耦合效率[图3（a）]。这主要是因为眼睛的前部比颞侧有更多的空间。因此，可以植入一个相对较大的线圈，从而有可能改善辐射特性。为了减轻眼部周围组织的感染，将线圈缠绕在一个类似于眼睛曲率的球形芯轴上。如图3（b）所示，使用由金铸成的线圈，并将其制作成与眼睛弧度相匹配的球形。

图3. 视网膜假体和相关的主电源、数据线圈。

（a）器件原型。眼睛模型由塑料制成；电源和数据线圈由金制成。

（b）外部主线圈封装于聚二甲基硅氧烷（PDMS）。经IEEE许可，转载自文献，©2011。

在宽带宽条件下，人们研究了工作频率为1.45 GHz和2.45 GHz的双单元视网膜假体的小型微带天线。对于眼外单元，在一副眼镜上设计了一个平面倒F天线（PIFA），而正三角形的微带眼内天线被集成在眼睛的紧凑睫状肌内。在有人类头部模型存在的情况下，对无线链路的耦合性能进行评估，而用眼睛模型进行测量。

本文由“健康号”用户上传、授权发布，以上内容（含文字、图片、视频）不代表健康界立场。“健康号”系信息发布平台，仅提供信息存储服务，如有转载、侵权等任何问题，请联系健康界（jkh@hmkx.cn）处理。

相关知识

访谈｜樊瑜波：只有源头创新，才能突破医疗器械领域“掐脖子”问题
远程医疗新突破：电子产品在医疗领域的应用
用于健康与健身应用的传感器技术
能“穿”的高科技——织物电子知多少？
医疗健康领域的可穿戴技术趋势
可穿戴设备在医疗领域的突破性发展
即热式电热水器：细分领域不可小觑的市场热点
盘点九大生物技术突破 未来或改变人类健康
生物技术在医药和健康领域的应用.pptx
未来的医疗领域可能会出现哪些突破性的创新？

网址: 可植入电子技术领域关键突破：用于人体器官的无线生物电子器件 https://www.trfsz.com/newsview340149.html