Małe chipy do wstrzykiwania wykorzystują ultradźwięki do monitorowania ciała… od wewnątrz

Inżynierowie z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku stworzyli maleńki „chip” zasilany ultradźwiękami, który można wstrzyknąć do organizmu w celu monitorowania stanu zdrowia.

Aby dowiedzieć się więcej, ScienceFocus przeprowadziło rozmowę z Kenem Shepherdem, profesorem inżynierii elektrycznej w Lau.

Jakie jest tło tych badań?

Prawo Moore’a mówi, że można upchnąć coraz więcej tranzystorów w określonym obszarze układu scalonego. I ta liczba rośnie wykładniczo przez ostatnie 30 czy 40 lat. Głównie używano tego prawa nie do zmniejszania chipów, ale do umieszczania większej liczby tranzystorów na chipie o tym samym rozmiarze. Tak więc przeszliśmy od chipów z tysiącem tranzystorów do chipów z dziesiątkami miliardów. Ale inną rzeczą, którą możesz zrobić z tym zagęszczeniem, jest użycie jej do tworzenia bardzo, bardzo małych chipów.

Jak to jest małe?

Jest to więc najmniejszy autonomiczny system jednoukładowy, jaki znamy, który obsługuje zarówno zasilanie, jak i komunikację dwukierunkową – ma około 300 x 300 mikronów [jeden mikron = 0,001 mm].

Jakie są główne wyzwania związane z wyprodukowaniem tak małego chipa?

Chip musi być zasilany i musisz mieć możliwość komunikowania się z nim, w przeciwnym razie jest bezużyteczny. Tak więc to, co robiliśmy, jest przykładem urządzenia, w którym chip jest całym systemem. Nie ma nic więcej; bez zewnętrznego układu czujników, bez zewnętrznej anteny, bez zewnętrznej baterii, nie ma niczego zewnętrznego. A żeby chip działał jako system autonomiczny, musi spełniać kilka kryteriów.

Całe zasilanie i komunikacja z chipem musi odbywać się bezprzewodowo. Tak więc wszystkie anteny do bezprzewodowego zasilania i komunikacji muszą być zintegrowane. A potem, w przypadku tego rodzaju implantów, chip również coś wyczuwa, więc funkcja wykrywania również musi być zintegrowana.

Bardzo trudno komunikować się z tak małym urządzeniem za pomocą elektromagnetyzmu, takiego jak fale radiowe, ponieważ długość fali jest zbyt duża w stosunku do rozmiaru urządzenia. Nawet przy dziesiątkach gigaherców mówimy o długościach fal w zakresie kilku milimetrów. To urządzenie ma znacznie mniej niż milimetr, dlatego używamy ultradźwięków. To urządzenie jest zasilane i komunikuje się akustyką, a nie elektromagnetyką, co jest przydatne, ponieważ fale dźwiękowe bardzo dobrze rozchodzą się w ciele.

Jak zasilasz chip ultradźwiękami?

Zastanawiamy się nad wykorzystaniem tych urządzeń do wzmocnienia ultrasonografii, aby zapewnić dodatkowe informacje, które nie są wewnętrznie dostępne. Sposób działania ultradźwięków polega na tym, że wysyła falę dźwiękową do twojego ciała. A kiedy występuje niedopasowanie akustyczne, różnica w oporności falowej (ang. acoustic impedance) [opór, jaki napotyka wiązka ultradźwiękowa podczas przechodzenia przez tkankę] z powodu różnych materiałów lub interfejsów w twoim ciele, która odbija część tej energii akustycznej z powrotem do elektroniczne urządzenie rejestrujące obrazy [ang. imager].

I to właśnie widzisz na obrazie USG. Ale jest wiele rzeczy, które nie są dostępne lub znane. Na przykład ten konkretny chip mierzy temperaturę. W samoistnym obrazowaniu ultrasonograficznym nie ma możliwości dowiedzenia się czegokolwiek o lokalnej temperaturze. Tak więc, umieszczam jedno z tych urządzeń w twoim ciele, a kiedy wiązka ultradźwięków uderza w nie, energia włącza urządzenie, które następnie mierzy lokalną temperaturę i odpowiednio moduluje odbitą energię z powrotem do ultradźwiękowego elektronicznego urządzenia rejestrującego obrazy.

Więc to, co widzisz, to ten maleńki chip w twoim obrazie USG, który miga w twoim kierunku. A to miganie wysyła z powrotem do ciebie informację, która mówi ci, co chip zmierzył lokalnie.

Robi to, co czasami nazywa się pozyskiwaniem energii – pobiera energię z wiązki ultradźwiękowej. A sposób, w jaki to robi, znajduje się na chipie, w którym zintegrowaliśmy materiał piezoelektryczny, który przekształca dźwięk w elektryczność. Tak więc, kiedy przyłożysz do tego materiału falę akustyczną – czyli dźwięk, materiał zostaje trochę ściśnięty, co generuje napięcie i to napięcie jest wykorzystywane do zasilania chipa.

Jak głęboko można wszczepić chip?

W przypadku tych urządzeń używamy ultradźwięków o częstotliwości około pięciu megaherców. Większość ultradźwięków klinicznych ma nieco niższą częstotliwość, zwykle około megaherca. Wraz ze wzrostem częstotliwości możesz penetrować mniej głęboko, ponieważ ultradźwięki są bardziej pochłaniane przez tkankę. Ale przy jednym megahercu długości fal są zbyt duże, aby komunikować się z tym urządzeniem. Tak więc przy pięciu megahercach możemy wejść na głębokość około 6-7 cm, zanim tłumienie ultradźwięków stanie się zbyt duże.

Jak umieścić je w ciele?

Są na tyle małe, że mieszczą się w igle podskórnej o rozmiarze 18, więc właśnie tak je umieszczamy. Można je również usunąć w ten sam sposób.

Jak funkcjonuje, gdy jest już w ciele?

Urządzenia mogą być używane na dwa sposoby. Jeden to miejsce, w którym jest wszczepiony – po prostu wkładasz go i zostawiasz w spokoju. Ale trzeba wykonać znacznie więcej testów, aby zrozumieć długoterminowe konsekwencje posiadania czegoś takiego w swoim ciele.

Uważa się, że bycie tak małym pomoże być “akceptowalnym”, a więc będzie mniej reakcji na ciało obce. Innym sposobem byłoby po prostu usunięcie go po pewnym czasie. I możesz to zrobić za pomocą tego samego rodzaju igły podskórnej, ale prowadzonej za pomocą ultradźwięków. Kamerę ultradźwiękową wykorzystujesz do prowadzenia igły, odnajdywania urządzenia, a następnie odsysania.

Jakie są potencjalne zastosowania?

Ten konkretny projekt wykorzystaliśmy w celu dostarczenia dodatkowych informacji do urządzenia do obrazowania ultrasonograficznego. Chip może być użyty w prawie każdym kontekście, w którym robisz obrazowanie ultrasonograficzne. Na przykład istnieje wiele zastosowań klinicznych, w których lekarze “stosują ciepło”. Jeśli chcesz wiedzieć, ile ciepła stosujesz, możesz użyć chipa, który mierzy temperaturę.

Mogą również istnieć określone biomarkery, których szukasz, być może wykonujesz ciągłe obrazowanie ultrasonograficzne w czasie, aby sprawdzić, czy guz nie powrócił. Może mieć sens wszczepianie takich urządzeń, które mierzą biomarkery, aby jeszcze wcześniej wskazać, czy istnieje problem. Staramy się również poprawić gojenie poprzez monitorowanie różnych biomarkerów w obrębie rany.

Jakie są następne kroki?

Cóż, jest wiele innych rzeczy, które można zrobić z implantami typu „chip”. Obecnie istnieje duże zainteresowanie interfejsami do ośrodkowego układu nerwowego – interfejsami mózgu/komputera oraz urządzeniami, które łączą się z obwodowym układem nerwowym w celu zarządzania bólem oraz interakcjami z autonomicznym układem nerwowym w celu kontrolowania takich rzeczy jak ciśnienie krwi.

To, co zapewniają te urządzenia, to to, co nazywamy sprawnością objętościową [ang. volumetric efficiency] – stwierdzenie, jak wiele funkcji można uzyskać z wszczepialnego urządzenia przy określonej objętości. Urządzenia te są najbardziej wydajnymi sprawnościami objętościowymi, jakie można sobie wyobrazić, ponieważ można uzyskać maksymalną ilość funkcji z tych urządzeń przy minimalnej ilości objętości. A to daje im wiele korzyści.

Źródło: Jason Goodyer

Zdjęcie: Chen Shi/Columbia Engineering
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x