美國俄亥俄州立大學：研發無線觸覺傳感系統，有望為癱瘓病人提供恢復途徑

近日，美國俄亥俄州立大學助理教授和合作者研發出一款無線觸覺傳感系統，它由三個部件組成：

部分是一個平行板電容力傳感器，包含一個上層二氧化硅板、一個中層二氧化硅板和兩板間的空隙；

第二部分是一個微型的無線傳輸模塊，可用于完成植入傳感器、以及可穿戴信號中繼單元之間的能量通信和數據通信；

第三部分是具有生物相容性和隔絕水汽的封裝，即通過激光熔合技術，將傳感器和電路封裝在二氧化硅晶片中。

封裝之后的系統尺寸為直徑 6 毫米、厚度 1.7 毫米，外觀是一個圓形結構。通過一個側面皮膚切口，課題組把傳感系統植入到獼猴手的指尖末節下方并縫合皮膚。

經測試發現，植入的電容傳感系統的靈敏度為 0.8pF/N，且擁有良好的可重復性和動態響應。

隨后，該團隊在動物身上開展了針對植入式傳感系統的耐受性研究。他們把一個直徑 3 毫米的傳感器模型植入到獼猴的指尖。結果發現創傷在 3 周內愈合，獼猴沒有并發癥和感染跡象，表現出了優良的耐受性，且沒有出現其他不適或自傷行為的跡象。

從體外實驗和體內實驗來看，這款植入式電容傳感器系統的外形尺寸十分適合在指尖皮下植入，并且可以準確地測量觸覺力。

總的來說，本次成果為失去觸覺感知能力的癱瘓病人提供了一種實現觸覺和運動恢復的新途徑，能在廣泛的觸覺壓力范圍之內提供優秀且穩定的敏感性。

同時，其所采用的生物兼容封裝，對于可植入感知系統的研究有廣泛的實用價值，尤其是將有希望改變癱瘓人群的生活。

根據衛生組織的估計，范圍內有數百萬人患有不同程度的癱瘓。許多人遭受性的手臂和手部功能障礙。這些幸存者無法執行日常生活的基本活動，而且他們中的 85% 失去了就業機會。

除了失去工作機會之外，四肢癱瘓患者的終身護理成本超過了 2 百萬美元。因此，家庭和社會承擔的經濟負擔相當巨大。

癱瘓時，脊椎神經系統的損傷或功能障礙會中斷大腦和肌肉之間的通信，導致肌肉控制受損并通常伴隨感覺喪失。

癱瘓患者要想恢復日常活動，就需要兩方面的硬件基礎，一是需要對肌肉進行受控刺激以誘發運動，二是需要傳感器向大腦提供手與物體互動的體感反饋。

近年來，已有學者進行相關的研究，利用腦機接口控制的刺激，癱瘓患者可以在沒有感覺的情況下恢復手的運動能力。

然而，將感覺反饋引入這些腦機接口控制的刺激仍然是一個未解決的挑戰。雖然可穿戴傳感器可以為傳遞觸覺功能提供潛在解決方案，但它們也伴隨著一些不足之處，如使用壽命有限、在下雨洗澡等場景下使用不便、以及美觀度不佳等。

在本次研究之中等人另辟蹊徑，以患者的全天候使用為前提，并把目標定為：開發植入式觸覺傳感器系統，幫助癱瘓患者實現正常人生活狀態下的手部觸覺。

即通過傳感器將捕獲的信號無線傳輸到腦，腦則能激活傳感器對應的體感區域，從而完成與脊椎神經信號反饋相同的功能，并產生觸覺。

自 2017 年立項以來，該團隊逐步攻克了一個又一個技術難點，包括用于運動感知和神經刺激的可植入式微電子機械系統傳感器，用于信號和能量通信的超低功耗的無線集成電路，以及神經和肌肉行為的動物實驗等。

研究伊始，他們探索了如何匹配醫學和工程之間的接口。將醫生對于性能的要求（如尺寸符合植入需求、測量范圍滿足日常使用、生物可兼容）轉換到具體器件上。

后來，他們從美國食品及藥物管理局批準的植入式醫療系統著手尋找合適的可植入材料，考慮了加工過程與電路的可兼容性和可滿足長期植入的氣密性封裝，通過仿真確認了滿足尺寸要求的器件測量原理、量程、靈敏度。

來源：傳感器專家網