微型传感器意指实时监测肿瘤 研究人员希望它能更好地替代活组织检查

传统上，肿瘤成像使用荧光显微镜（蓝色图像）。新型图像传感器（紫色图像）可以以较小的创口完成同样的工作。ROZHAN RABBANI ET AL.

This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore.

有朝一日，一种微小的传感器可以放置于肿瘤旁边，实时监测病人对癌症的反应。加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校的研究人员在 3 月 12 日发表在《IEEE 生物医学电路与系统论文集》（IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=4156126）上的一项研究（https://ieeexplore.ieee.org/document/10463629）中描述了一种传感器原型。研究人员利用该传感器原型进行了概念验证，证明它可以监测小鼠组织中的生物变化。

在癌症治疗的早期阶段，很难评估治疗是否有效。目前，了解患者对治疗反应的最佳方法是活检，即从患者身上提取少量肿瘤组织样本，在实验室的显微镜下进行分析。然而，活检需要大量的时间和资源，最终却只能为医生提供癌症治疗效果的时间快照。

加利福尼亚大学伯克利分校的研究生Rozhan Rabbani说:“目前，还没有办法对患者体内深层组织的[治疗]反应进行实时机械监测。Rabbani补充说，植入式生物医学传感器可以克服这一问题，为患者提供更加个性化的治疗方案。”

Rabbani和她的同事们开始研制一种新型无线图像传感器，希望能够提供实时监测。传感器利用超声波传输数据，超声波可以安全地穿透皮肤和其他身体组织。该传感器还利用超声波获取振动能量，并将其储存在片外电容器中。

这几张技术示意图显示了植入人体的小型传感器的不同组件。一张示意图显示了新型图像传感器的不同组件，该传感器由超声波驱动，有朝一日可对肿瘤进行实时监测。ROZHAN RABBANI ET AL.

图像传感器上的小型激光器提供局部照明，而传感器本身则将光线转换成数字信号。另一种称为准直器的微型装置可提高图像分辨率。“Rabbani解释说：”这项技术限制了入射光的角度，使图像更加清晰，分辨率更高。

图像传感器的集成电路尺寸仅为 2.4 x 4.7 毫米，然后通过超声波将收集到的数据传回病人体外。

设计出传感器后，Rabbani和她的同事用小鼠进行了实验。在这些初步实验中，研究人员没有研究活体小鼠的肿瘤。相反，他们测试了传感器在抗癌治疗前后简单分析小鼠组织样本的能力，并将这些图像与传统显微镜拍摄的图像进行了比较。

小鼠接受了抗癌治疗，在实验开始时（未治疗组）和18天后（治疗组）对小鼠的组织样本进行了成像。结果显示，随着小鼠对癌症治疗产生反应，组织样本中发现了更多的免疫细胞，新型传感器能够检测到两组组织样本的变化。例如，显微镜能检测到治疗后免疫细胞增加了 10%，而图像传感器则能检测到增加了 17%。

虽然这些结果表明，这种传感器可以捕捉身体组织随时间发生的变化，其程度与荧光显微镜相似，但要确保这种装置可以安全地植入小鼠和人体，而不会被受体的免疫系统排斥，还需要进行更多的研究。

“加州大学旧金山分校放射肿瘤学系和加州大学伯克利分校电子工程系副教授 Mekhail Anwar 说：”尺寸、形状、灵活性和材料类型等因素在决定体内生物相容性方面起着重要作用。“需要探索缩小设备尺寸和增强生物相容性的策略，例如使用有机材料进行封装”。

虽然传感器原型能够对细胞群进行长时间监测，但其分辨率仍无法与显微镜相提并论。因此，研究小组计划在传感器功能的基础上再接再厉。Anwar说：“我们正在积极研究新技术，以提高分辨率，并扩大应用范围，使其不仅仅局限于识别多细胞群的变化。”

Rabbani说：“我们希望将来有了完全可植入的系统后，能对同一只小鼠进行长期监测。”