生物電子學：神經塵埃-用於腦部/身體介面的超聲波神經感測器

©UC Berkeley

加州大學伯克利分校SWARM實驗室的研究人員剛剛研發出了塵埃大小的超聲波神經感測器。這種微小的神經植入物尺寸僅為0.8 x 3 x 1 mm，能夠即時對周圍神經系統中的肌肉、神經和器官進行電生理記錄。與目前需要連接電線的傳統可植入電極不同，這些感測器是無線且無電池的。這些感測器同樣基於超聲波技術。超聲波技術在向毫米級或更小尺寸的裝置供電和傳輸資料方面起到了非常大的作用。

什麼是神經塵埃(Neural Dust)？

根據研究人員的說法，該術語描述了一種“自由浮動的，獨立的毫米級感測器節點，可透過超聲反向散射檢測並報告局部細胞外電生理資料。”

這項新技術為電療法提供了途徑，電療法被定義為基於生物電子學的療法。新技術使用的無線感測器可以檢測和處理來自肌肉活動的肌電圖（EMG）訊號和來自神經活動的神經電圖（ENG）訊號。記錄的資料顯示，它們能夠刺激人體的免疫系統並改善炎症，從而防止癲癇等疾病的發作。

圖1：神經塵埃感測器的組件/ ©Dongjin Seo等, 2016

神經塵埃系統組裝在柔性PCB上，由三個主要部分組成：一個壓電晶體，一個客製化電晶體，以及一對測量神經訊號的電極。該系統還包括一個外部超聲波收發器板，透過交替進行射極六個540納秒脈衝（超聲波能量）和監聽反射脈衝來實現為感測器供電並與感測器通信。超聲波能量引起的壓電振動可以將外部產生的超聲波的機械能轉化為電能。然後，該能量會被提供給電晶體。

圖2：組裝神經塵埃/ ©Dongjin Seo等, 2016

感測器的組裝過程如圖2所示。一個神經塵埃是以50mm厚的聚醯亞胺柔性PCB（黃色）為底座進行組裝的。壓電晶體（灰色；0.75 x 0.75 x 0.75 mm）和客製化電晶體（霓虹綠；0.5 x 0.45 mm）透過引腳鍵合至板面的頂部。然後使用醫用級紫外光固化導電環氧銀對感測器進行封裝。元件之間的電連接使用的是鋁線鍵合和導電金跡線。

圖3：神經塵埃的組件/ ©Dongjin Seo等, 2016

板底部的金記錄層是裸露的，可以直接接觸肌肉或神經來對電生理訊號進行記錄。

那麼，這些神經感測器是如何監視訊號的？

首先，將神經塵埃“微粒”植入腓腸肌中進行EMG記錄，並與坐骨神經的神經外膜（最外層）接觸進行ENG記錄。來自外部換能器的超聲波能量脈衝被發送到壓電晶體，為電晶體供電。此過程不需要電池。然後，由兩個記錄電極獲取的來自神經或肌肉的動作電位（電壓）被發送到電晶體。發送出的超聲波能量中的一部分會導致壓電晶體振動，而振動又會產生“反向散射”超聲波訊號，該訊號會對兩電極之間的電生理電壓進行編碼。這種電生理訊號可以被解碼，從而獲得EMG或者ENG的資料。

目前的研究涉及到的部位為週邊神經系統，透過使用一個外部超聲波換能器為神經塵埃提供動力並與之通信。研究人員解釋說，神經塵埃也可以植入中樞神經系統和大腦。這項技術可以進一步改善神經假體的功能控制。未來的研究內容包括將裝置小型化至亞毫米級。此外，目前研究人員正在使用生物相容性薄膜製造感測器，該薄膜可以抗降解，並在體內保存十年以上。