最新柔性传感器!透过测量皮肤组织僵硬度来检测病变

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在不久的将来,或许只需在皮肤放上一块柔性应力感应薄膜,便能以非入侵的方式,实时检测皮肤病变。由香港城市大学(香港城大)科学家共同领导的研究团队,最近研发了一套基于机电感应的器件,能以自动化兼非入侵性的方式,用于诊断牛皮癣(银屑病)、皮肤癌等皮肤深层组织的疾病。有关研究成果将为日后应用于临床评估皮肤癌和其他皮肤疾病,奠下基础。

是次研究由香港城大生物医学工程学系助理教授于欣格博士,与美国西北大学的科学家携手领导。相关研究结果已发表在最新一期的科学期刊《自然·生物医学工程》 (Nature Biomedical Engineering)上,题为〈Miniaturized electromechanical devices for the characterization of the biomechanics of deep tissue〉

能精确并快速测量人体软组织僵硬度的机电系统,可为监测、诊断和治疗各种病理,尤其是与皮肤相关的疾病,提供有用的临床信息。然而,目前的诊断方法例如磁共振弹性成像(magnetic resonance elastography),往往要运用医院内的大型仪器,并要由专业人员操作。而基于感应组织僵硬度的最新测量技术,目前则只能检测到皮肤以微米级别计的表层。

实时评估深层组织僵硬度的新器件

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研究团队设计出一套简单、微型的机电感应器件,能以高精准度及实时评估深层组织的僵硬度。

 

针对以上的不足,研究团队设计出一套简单而微型的机电感应器件,能够以高精准度及实时评估深层组织的僵硬度。团队利用微型电磁系统,结合震动致动器(actuator)与柔性应力感应器(sensor)薄膜,实时测量皮肤或其他软组织的弹性模量(Young’s modulus, 即杨氏模量),并可视乎感应器的设计而测量皮肤下1至8毫米的深度。

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研究团队将器件应用于研究对象带有牛皮癣的手臂(a)、手部(c)、下背(e)的皮肤病变位置,以及没有病变的皮肤上。图b、d及f显示出两者在僵硬度上检测出的分别。(图片来源:DOI number: 10.1038/s41551-021-00723-y)

 

研究团队于不同的合成和生物材料例如水凝胶、猪皮以及人体不同位置的皮肤上,测试器件的性能。于博士解释说:“发生病变的位置会比附近的皮肤僵硬,主要是因为皮肤的弹性及水润度有别。这些简单的测量结果在快速识别和定位皮肤病变位置方面,具有潜在的临床应用价值,可以补足最近已发表、用于检测组织表面机械性能(通常为微米级)的方法的不足。”他指出,癌细胞组织往往比正常组织更僵硬或更柔软,这种差异可以被视为多种皮肤疾病,例如皮肤癌或皮下肿瘤的诊断生物标志物。

机电感应设备结构简单

这套新研发的机电器件的厚度仅为2.5毫米,接触面积大约为2平方厘米,不论在长有毛发抑或没有毛发的皮肤上,均运作良好。而它的运作原理,乃源自早前由于博士和西北大学合作者开发、用于虚拟/扩增实景的皮肤集成触觉界面技术。

该器件的运作原理是这样的:对铜线圈施加交流电后,磁铁会产生振动并在感应器的底部产生压力。这会令衍生的变形延伸至组织内以毫米计的深度,从而导致电阻出现周期性的变化。通过实时测量电压来分析这些反应,就可以定量确定组织的僵硬度。每次测量都可以在一分钟之内完成。

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传感器的运作原理,源自早前由于欣格博士和西北大学John A. Rogers教授等合作者开发、用于虚拟/扩增实景的皮肤集成触觉介面技术。

 

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系统的结构示意图。左下图显示震动致动器的体积只与一枚五美分的硬币相若。另外两张图片展示设备的阵列能够支援定位测量组织的僵硬度。(图片来源:DOI number: 10.1038/s41551-021-00723-y)

 

研究团队找来了皮肤病患者,进行了临床研究。结果表明,器件具有准确定位与牛皮癣相关病变的潜力,展现出实际医学用途。于博士说:“检测出的数据有助诊断、跟进治疗和疾病监测,尤其是针对如皮肤癌等的皮肤相关疾病,也可用于皮肤美容和表面伤口复元的范畴。”

于博士并指出,他们的器件有潜力应用于评估不同条件下的皮肤物理特性,例如老化、水分流失或皮肤病。他说:“我们相信在不久的将来,这项技术将令人们只需用简单的可穿戴设备,就可以随时监察皮肤的健康状况。”

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于欣格博士(前排)与其研究团队的部分成员:(后排左起)宋恩名博士、李登峰、姚宽明。

 

香港城大的于博士以及来自西北大学的John A. Rogers教授黄永刚教授张然凯博士是这篇论文的共同通讯作者。第一作者包括来自于博士团队的高级研究员宋恩名博士;同样曾为于博士团队内的高级研究员、现为大连理工大学教授的解兆谦教授;以及来自北卡罗来纳大学教堂山分校的白武斌教授和西北大学的栾海文博士。香港城大的李登峰姚宽明周靖昆亦参与是次研究。其他研究人员则来自西北工业大学、宾夕法尼亚州立大学、伊利诺大学厄巴纳-香槟分校、成均馆大学、复旦大学、和大连理工大学。

研究获得包括香港城大、香港研究资助局、国家自然科学基金会、中央高校基本科研业务费、韩国科学与信息通信技术部、美国国家科学基金会等的资助进行。

 

DOI number: 10.1038/s41551-021-00723-y

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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