器官移植后血管并發(fā)癥可能導致移植器官缺血、功能障礙或丟失。成像方法可以提供對移植器官灌注的間歇性評估，但需要熟練的從業(yè)人員，并且不能直接評估移植器官內的氧合作用。現有的用于監(jiān)視組織氧合作用的系統受到有線連接需求的限制，無法提供實時數據或只能提供限于表面組織的數據。
成果簡介
有鑒于此，美國加州大學伯克利分校的Michel M. Maharbiz、Soner Sonmezoglu等研究人員，利用毫米級超聲植入物監(jiān)測了深層組織的氧合作用。成果發(fā)表在Nature Biotechnology上。
圖|無線O2監(jiān)控系統概述
研究人員研發(fā)了一種用于監(jiān)測深層組織O2的微創(chuàng)系統，該系統可提供從綿羊組織厘米級深度到離體豬組織10 cm深度的連續(xù)實時數據。該系統由毫米大小的無線超聲波供電可植入式O2傳感器和用于雙向數據傳輸的外部收發(fā)器組成，可對手術或重癥監(jiān)護適應癥患者進行深層組織氧合作用監(jiān)測。
圖|無線O2傳感系統的體外表征
技術難題
為了臨床上采用無線O2傳感系統來使用慢性體內O2跟蹤，必須解決許多技術難題。
1）第一個挑戰(zhàn)是通過外部收發(fā)器對植入物進行定位，因為手術后的體內位置可能會相對于任何外部基準點發(fā)生漂移。這種運動可能是由于來自身體外部的壓力，運動或呼吸以及疤痕形成而引起的。可以通過相控陣收發(fā)器實現每次pO2測量之前的體內定位，該相控陣收發(fā)器首先使用US背向散射信息來查找，然后跟蹤與時間有關的植入物在體內的位置。
圖|在常氧、高氧和低氧的情況下通過手術植入無線O2傳感器并進行記錄
2）第二個挑戰(zhàn)是因為異質組織中不同的US傳播路徑之間由于吸收和散射引起的聲衰減會發(fā)生變化。具有較高衰減的路徑可能會大大降低系統功率傳輸效率和數據傳輸可靠性。于此，具有能夠將能量聚焦到植入物上的具有大孔徑、多元素換能器陣列的外部收發(fā)器將允許沿著優(yōu)選路徑操縱US光束。最后，相控陣列還可以潛在地用于以時分多路復用方式或同時詢問植入目標組織不同位置的多個O2傳感器。
3）最后，長期在體內使用無線O2傳感器需要密封包裝，以防止生物流體滲透到電子傳感器組件和壓電晶體中。對于這項工作，研究人員使用生物相容性聚合物封裝植入物，因為它們易于用于急性和半慢性實驗。眾所周知，這些厚的聚合物材料由于其高的水蒸氣滲透性而不適合長期體內使用。
圖|無線O2傳感系統的體外和離體上行鏈路表征
這項工作提出了在立方毫米體積范圍內完全可植入的光極的小型化，適用于深層組織的測量。盡管研究的重點是一種用于測量體內O2張力的系統，但基本的技術成就為微創(chuàng)脈搏血氧飽和度傳感器，pH傳感器和CO2傳感器等打開了大門。這些都體現在超微型深層組織系統中，將能夠進行新的診斷。
參考文獻：
Sonmezoglu, S., Fineman, J.R., Maltepe, E. et al. Monitoring deep-tissue oxygenation with a millimeter-scale ultrasonic implant. Nat Biotechnol (2021).
https://doi.org/10.1038/s41587-021-00866-y
