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- 頭部和心臟：加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師設(shè)計(jì)神經(jīng)和心臟傳感器
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/2/18
加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣工程系宣布了多項(xiàng)壯舉，從神經(jīng)傳感器網(wǎng)格到 PMIC 創(chuàng)新。
最近，加州大學(xué)圣地亞哥分校 (UCSD) 的研究人員發(fā)表了關(guān)于電生理設(shè)備和電源管理集成電路 (PMIC) 等領(lǐng)域的研究。其中一些正在進(jìn)行的工作將如何影響專業(yè)電氣工程和醫(yī)療領(lǐng)域的行業(yè)？
使用新型傳感器網(wǎng)格進(jìn)行腦信號處理
鉑納米棒網(wǎng)格 (PtNRGrids) 是納米級鉑棒，研究人員將其整合到腦電圖設(shè)備中，該設(shè)備使用大腦皮層上的電極測量大腦中的電活動(dòng)。據(jù)說 PtNRGrids 提供相對更高的空間分辨率和皮層覆蓋率，以比傳統(tǒng)的鉑基傳感器更有效地監(jiān)測大腦信號。與現(xiàn)有的鉑傳感器不同，PtNRGrids 具有更大的感應(yīng)表面積，使其對大腦活動(dòng)（例如神經(jīng)元放電）更加敏感。
這些納米級網(wǎng)格是UCSD 最近關(guān)于腦信號記錄和處理的研究的基礎(chǔ)。皮層電圖（或 ECoG）是神經(jīng)外科醫(yī)生在對藥物和其他形式的治療免疫的患者執(zhí)行敏感的醫(yī)療程序（例如腦腫瘤切除和癲癇治療）時(shí)利用的工具。在手術(shù)過程中，外科醫(yī)生在大腦表面整合了幾個(gè)傳感器網(wǎng)格來記錄大腦活動(dòng)。
PtNRGrids 嵌入在稱為聚對二甲苯的柔性生物相容性基板上。圖片由UCSD提供
傳統(tǒng) ECoG 網(wǎng)格的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是傳感器數(shù)量少，這限制了神經(jīng)外科醫(yī)生識別由于腫瘤和其他神經(jīng)系統(tǒng)問題引起的有缺陷的大腦區(qū)域的精確度。然而，通過由 UCSD 工程師、神經(jīng)外科醫(yī)生和醫(yī)學(xué)研究人員組成的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型 PtNRGrid，神經(jīng)外科醫(yī)生可以獲得比目前用于腦信號監(jiān)測的更高的 ECoG 網(wǎng)格分辨率。
UCSD 新聞稿解釋說，這種高 ECoG 網(wǎng)格分辨率旨在更好地保護(hù)正常功能的腦組織，同時(shí)在復(fù)雜的腦外科手術(shù)中消除有缺陷的腦組織。研究小組通過利用鉑基納米棒的能力對傳統(tǒng)的 ECoG 網(wǎng)格進(jìn)行了這些改進(jìn)。
網(wǎng)格密集地?cái)D滿了 1,024 或 2,048 個(gè)嵌入式 ECoG 傳感器。圖片由UCSD提供
該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為聚對二甲苯的柔軟、透明且高度靈活的基板，將數(shù)千個(gè) PtNRGrid 嵌入彼此接近的位置。這種基質(zhì)減少了顯著的電干擾，提高了信號質(zhì)量，并穩(wěn)定了 PtNRGrid 與大腦表面的連接。研究人員制造了帶有環(huán)形小孔的網(wǎng)格，使網(wǎng)格能夠安全地置換脊髓液，從而在大腦表面和傳感器網(wǎng)格之間形成更好的界面。
彈出式傳感器在創(chuàng)紀(jì)錄的時(shí)間內(nèi)檢測心臟病
加州大學(xué)圣地亞哥分校的另一組研究人員最近宣布發(fā)現(xiàn)了一種彈出式電子傳感器，該傳感器可以通過監(jiān)測單個(gè)和多個(gè)心臟細(xì)胞的行為來有效檢測心臟病。該傳感器插入細(xì)胞而不會(huì)對它們造成任何損壞，以檢測內(nèi)部和外部電信號的存在。然后，它測量它們在單個(gè)心臟細(xì)胞、多個(gè)心臟細(xì)胞之間以及 3D 組織細(xì)胞內(nèi)的行進(jìn)速度。
借助這種傳感器，心臟病專家可以通過檢測不同細(xì)胞之間的不規(guī)則信號傳播來更有效地診斷心臟病，例如心臟病發(fā)作、心律失常和心臟纖維化。
彈出式傳感器與心臟細(xì)胞接口的圖示。圖片由UCSD提供
研究人員將一組 3D 微觀場效應(yīng)晶體管 (FET) 納入其新傳感器設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造中。他們還通過在磷脂雙層中摻雜 FET 來考慮安全性，消除了身體將它們視為外來物質(zhì)的可能性。
根據(jù)他們在Nature Nanotechnology上發(fā)表的文章，該團(tuán)隊(duì)首先將 FET 制造成 2D 形狀，將形狀的特定點(diǎn)粘合到預(yù)拉伸的彈性體片材上，然后松開片材，從而構(gòu)建了 3D FET 陣列。這個(gè)過程導(dǎo)致了一個(gè)彎曲的器件，并導(dǎo)致 FET 折疊成一個(gè) 3D 陣列結(jié)構(gòu)，可以很容易地穿透細(xì)胞。
2D FET 形狀彈出到 3D FET 陣列結(jié)構(gòu)。圖片由UCSD提供
雖然該設(shè)備是專門為心肌細(xì)胞和心臟組織設(shè)計(jì)的，但該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它可以監(jiān)測各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)中細(xì)胞器之間的電信號，使其可能用于新藥測試。
PMIC 研究合作
除了在醫(yī)療技術(shù)方面的進(jìn)步外，加州大學(xué)圣地亞哥分校最近還宣布成為電源管理集成中心 (PMIC) 的成員。該中心是更大的產(chǎn)學(xué)合作研究中心 (IUCRC) 計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃專注于電力電子的性能。為此，UCSD 和達(dá)特茅斯正在與其他行業(yè)參與者合作，包括英飛凌科技、Analog Devices、英特爾、高通和 Allegro MicroSystems。
該合作伙伴關(guān)系的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和創(chuàng)建電路拓?fù)�，并以大限度地提高效率并大限度地減少設(shè)備占地面積和成本的方式應(yīng)用能量存儲。該中心打算使用下一代設(shè)備來提高包括消費(fèi)、汽車和工業(yè)在內(nèi)的多種電子應(yīng)用的系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)健性和性能。
由 PMIC 博士資助 學(xué)生 Ziyu Xia 展示了他的項(xiàng)目“An Integrated 5:1 DC-DC converter”。圖片由 Andrila Hait 和達(dá)特茅斯大學(xué)提供
此外，該中心旨在促進(jìn)與行業(yè)需求相關(guān)的研究合作，包括開發(fā)具有高效率和功率密度的電源管理 IC、分立電源轉(zhuǎn)換器和電路拓?fù)�。該中心還希望為小型無源元件的高頻操作設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制更廣泛的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。
PMIC 計(jì)劃利用成員機(jī)構(gòu)的金融投資來開發(fā)知識庫和勞動(dòng)力，從而在短期和長期基礎(chǔ)上提高電力電子的能力。
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