VCSEL+超声换能器实现可穿戴光声传感贴片

加州大学圣地亚哥分校（UC San Diego）开发的可穿戴光声传感贴片有望用于临床实践和研究。

这款可穿戴光声传感贴片可以帮助临床医生诊断肿瘤、器官功能障碍等疾病

对血流和血管进行非侵入性成像，是许多生物光子学技术实现临床价值的关键。

调研显示，尤其是血红蛋白分子成像，其所带来的影响巨大，该技术将有助于“分散医疗，以及将可穿戴技术应用于病患的自我监测”。

据麦姆斯咨询报道，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员对这一课题做出了新的贡献，他们开发了一种可穿戴电子贴片，能够监测深层组织中的生物分子，包括血红蛋白。该研究成果已发表于近期的Nature Communications。

加州大学圣地亚哥分校Sheng Xu表示：“血红蛋白在体内的数量和位置，可以提供有关血液灌注或特定位置积聚的关键信息。我们开发的可穿戴贴片在密切监测高危人群方面显示出巨大潜力，有助于在紧急时刻为病患提供及时干预。”

可穿戴电子贴片结构和工作原理示意图。该贴片包括VCSEL阵列和压电式超声换能器阵列，由蛇形铜电极互连。吸收光能后，红细胞中的血红蛋白分子发生热弹性膨胀，并将声波辐射到周围介质中。然后，超声换能器阵列收集光声波，并传输到后端系统进行数据处理。

这种贴片基于光声（PA）传感技术，这是一种将血红蛋白分子暴露于快速激光脉冲，并对所产生的瞬态超声脉冲进行成像的技术。光声成像作为一种血红蛋白标测技术，以及MRI或X射线CT的替代技术，十多年来一直是临床研究的主题。

加州大学圣地亚哥分校将光声成像技术与柔性可穿戴贴片概念相结合，类似于目前可用的采用电化学或光学传感模式的设备。特别值得注意的是，该团队的目标是能够感知深层组织中的分子，这些分子与代谢过程的相关性，要强于现有贴片技术能够检测的表面分子。

深度触及内脏器官，一个巨大的挑战

该贴片集成了24个高功率850 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列，分四排等间距的排列，并串联连接，在VCSEL列之间布置了240个压电式超声换能器。

柔性光声传感贴片在不同变形下的光学照片。中间和右侧图片中的插图分别是单个超声换能器元件和VCSEL二极管的光学显微照片。

据论文介绍：“由蛇形金属电极互连的VCSEL二极管和超声换能器阵列封装在弹性基体中。高功率VCSEL二极管可以产生穿透2 cm以上生物组织的激光脉冲，并激发血红蛋白分子产生声波。”

体内血管成像和静脉阻塞试验

在试验中，该贴片被应用于组织模型和离体猪组织，然后对志愿受试者进行了测试，其中深度穿透测量为1.1 cm。研究团队表示，在这些深层组织中实现了具有亚毫米空间分辨率的血红蛋白三维映射。

未来进一步的研究将包括使用更高功率的VCSEL，因为检测深度与照明光强度息息相关。该项目指出，由于人体器官和外部皮肤之间的距离，对人体心脏进行光声成像仍然“极具挑战”，但更高功率的光源可以提高对内脏器官区域的检测深度。

加州大学圣地亚哥分校Xiangjun Chen表示：“持续监测对于及时干预以防止危及生命的情况恶化至关重要。基于电化学实现生物分子检测的可穿戴器件（不限于血红蛋白），是长期可穿戴监测应用的理想方案。”

审核编辑：刘清