植入型傳感器 監測人體內酒精含量

　　據麥姆斯咨詢報道，加州大學圣地亞哥分校的工程師們開發出一種微型、功耗超低、可植入皮膚表面的生物傳感器，能長期連續地對體內酒精含量進行監測。芯片的尺寸非常小，因此可以植入人體皮膚的表皮之下，并采用如智能手表或智能貼片(patch)等無線可穿戴設備供電。

　　“這項工作的最終目標是為濫用藥物治療項目的病人開發一種常規且容易被接受的酒精和藥物監測設備。”加州大學圣地亞哥分校雅可布工程學院的電氣工程教授Drew Hall談到。Hall也供職于加州大學圣地亞哥分校的無線通信中心和可穿戴式傳感器中心。他的團隊于4月10日在圣地亞哥召開的2018屆IEEE定制化集成電路會議上(CICC)提出了這項工作。

　　病人的治療方案面臨的挑戰之一是缺乏方便的常規監測工具。Hall認為，呼吸分析儀是目前估測血液中酒精濃度的最常見方式，缺點是笨拙、初始化時間長且不夠準確。驗血是最精確的方法，但需要訓練有素的技術人員才能完成。形似“紋身”的酒精監測傳感器是可以“穿”在皮膚上的新選擇，也方便在一次性使用后“脫下”，是一種前景光明的傳感器。

　　可以植入皮膚表面的微型酒精監測芯(與25美分硬幣的大小對比圖)

　　Hall說：“微小植入型傳感器可以在沒有手術室的診所內使用，使病人更容易按照規定的療程進行長時間的監控。”

　　這款生物傳感器芯片體積大約為一立方毫米，可以植入在皮膚下的細胞間液(細胞間液是一種存在于身體細胞間質中的組織液)。這款生物傳感器內有一個被酒精氧化酶覆蓋的傳感器，酒精氧化酶可以選擇性地與酒精相互作用產生副產品，從而通過電化學的方式被檢測到。電信號被無線傳輸到附近的可穿戴設備(如智能手表)，可穿戴設備同時也是給傳感器無線充電的裝置。芯片上的另外兩個傳感器則負責測量背景信號和pH值。為了保證酒精讀數更準確，這兩個傳感器已被取消。

　　研究人員在設計時盡量將功耗降至最低，共970納瓦，大約是智能手機通話時功耗的百萬分之一。“我們不想看到芯片對可穿戴設備的電池壽命產生明顯的影響，”霍爾說：“我們不希望在植入了傳感器的皮膚部位出現大量發熱，也不希望有潛在毒性的電池。”

　　這種超低功耗芯片的工作方式之一是通過一種稱為反向散射的技術傳輸數據。當附近有智能手表這類設備向芯片發送射頻信號，芯片則將數據修改并返回反射信號給智能手表。研究人員還為芯片設計了超低功耗傳感器讀出電路，將測量時間減少至三秒，從而降低了功耗。

　　研究人員已完成體外環境對植入人體的模擬測試，主要通過將乙醇混合在稀釋的人體血清再植入豬的皮膚下。

　　為了將來的研究，研究人員計劃在動物活體上進行芯片的測試。Hall的團隊與在加州圣地亞哥Qualcomm Institute Innovation Space成立的創業公司CARI Therapeutics、在加州圣地亞哥專攻物質濫用障礙個體治療的成癮精神病學家Carla Marienfeld博士開展合作，優化下一代康復監測芯片。Hall的團隊正在研發這種可以監測體內其他分子和藥物的生物芯片。

　　“這是一項概念平臺已被證明的技術。我們已經證明這種芯片可以用于酒精監測，但我們將研發出可以監測不同濫用物質的芯片。并且可以根據病人需求，定制監測所需物質的芯片，以提供長期的個性化醫療監測。”霍爾說。