頭蓋内信号のワイヤレスモニタリングのための注射可能な超音波センサー

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頭蓋内信号 ワイヤレスモニタリング 超音波センサー 生分解性水素ゲル 多パラメータセンシング

注射可能な超音波センサーの設計 #ワイヤレス注射可能な超音波センサーによる頭蓋内信号モニタリング

##背景紹介

頭蓋内の生理状態を直接的かつ正確にモニタリングすることは、損傷の分類、予後評価、および疾患の予防において非常に重要です。しかし、経皮ラインなどの従来の有線臨床機器は、データ収集の正確性は優れているものの、感染リスク、患者の活動制限、および除去時の手術合併症の可能性など、さまざまな問題を抱えています。一方、ワイヤレス植込み型デバイスは操作の自由度が高いものの、検出範囲が限られていること、性能の低下、人体内でのサイズ縮小にチャレンジがあります。

##論文の出典

本論文は、華中科技大学、南洋理工大学、シンガポール科学技術研究庁、武漢同済医学院などの複数の研究所に所属する研究者らによって共同で執筆され、2024年6月6日付のNature誌第630巻に掲載されました。主な著者にはHanchuan Tang、Yueying Yang、Zhen Liu、Wenlong Li、Yipeng Zhangらがいます。

##研究内容 動物実験

###研究の流れ

研究チームは、頭蓋内の超音波信号モニタリングのために、新しい種類のワイヤレス注射可能な生物分解性メタゲル超材料ハイドロゲルセンサを提案・開発しました。このセンサは2×2×2 mm^3のキューブ構造で、生物分解性の刺激応答ハイドロゲルと周期的に配列された空気柱から構成されており、特定の音響反射スペクトルを有しています。これらのセンサは穿刺針を介して頭蓋内に直接植え込むことができ、生理環境の変化に応じて微小な変形が生じ、それに伴い反射される超音波の周波数ピークがシフトします。外部の超音波プローブを使ってこの周波数シフトを無線でモニタリングします。

###実験手順

  1. センサの設計と製造:

    • センサには、ハイドロゲル基質と周期的に並んだ空気柱が含まれ、調整可能な音響反射スペクトルを持つソフトフォノン結晶を形成しています。
    • 超音波の送受信周波数のずれを検出することで、頭蓋内の圧力、温度、pH、流速の変化をモニタリングします。
    • 植え込まれたセンサのハイドロゲルは、生理環境下で徐々に分解されていき、実験では18週間以内に完全に分解されることが示されました。

  2. 計算およびシミュレーション:

    • 有限要素解析を用いてハイドロゲルのバンドギャップを計算し、さまざまな圧力と温度下でのセンサのバンドギャップと音響反射周波数の変化をシミュレーションしました。

  3. 体外および動物実験:

    • 最初に体外実験で、圧力、温度、pH、流速の測定範囲と精度を検証しました。
    • 装置や液体の温度、pH、圧力などの環境パラメータを変えて、異なる条件下でのセンサの応答を具体的に試験しました。

  4. 生物適合性と分解実験:

    • ラットとブタのモデルを用いて体内実験を行い、顕微鏡撮影と画像スキャン技術でセンサの長期性能、安定性、生物適合性、分解状況を評価しました。

###主な結果

  1. 体外実験データ解析:

    • センサは圧力範囲0-70 mmHgで0.1 mmHgの分解能と5.7 kHz/mmHgの感度を示しました。
    • 温度範囲28-43°Cでは0.1°Cの分解能と約80 kHz/°Cの感度がありました。
    • pH変化試験では、センサはpH 8.0から2.0の範囲で256.4 kHz/pH単位の感度があり、0.0012の小さな変化を検出できました。

  2. 動物実験データ解析:

    • ラットとブタの体内実験で、センサは頭蓋内圧力と温度の変化をリアルタイムでモニタリングできました。さまざまな実験条件下で、従来の臨床ICPセンサなどの計測器と一致するデータが得られました。
    • 実験の結果、センサの精度と感度は既存の臨床標準機器を上回ることが示されました。

  3. 長期安定性と生物適合性:

    • ラットの頭蓋内に植え込まれたセンサは、軟組織との適合性のある形態を示し、顕著な炎症反応は認められませんでした。
    • 試験期間中(24日未満)、長期的な安定性が確認されました。さまざまな組み合わせパラメータの測定とデータの非干渉性分離法により、優れた干渉耐性が実証されました。
    • MRI画像では、脳内へのセンサ挿入部位が明瞭に描出され、顕著なアーチファクトは生じませんでした。

###結論と意義

研究チームが提案したメタゲル超音波センサは、完全にワイヤレスの多パラメータ検出方式を提供しています。従来のワイヤレス植え込みセンサと比べて、本研究で述べられたセンサはサイズ、分解能力、多信号分離能力において顕著な利点があり、センサを取り出すための追加の手術手順は必要ありません。この研究成果は、安全かつ小型化されたワイヤレス植え込みセンサの発展を促進し、経皮ラインを必要とする従来の臨床センサシステムに代わるものとなる可能性があります。疾患の精密な予防、予後、健康管理に新しい技術手段を提供することが期待されます。応用範囲としては、頭蓋内圧力、温度、pH、流速のリアルタイムモニタリングのほか、将来的には他の生理パラメータのモニタリングへの応用拡大が見込まれます。