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头部和心脏:加州大学圣地亚哥分校的工程师设计神经和心脏传感器
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/2/18

加州大学圣地亚哥分校的电气工程系宣布了多项壮举,从神经传感器网格到 pmic 创新。


最近,加州大学圣地亚哥分校 (ucsd) 的研究人员发表了关于电生理设备和电源管理集成电路 (pmic) 等领域的研究。其中一些正在进行的工作将如何影响专业电气工程和医疗领域的行业? 


使用新型传感器网格进行脑信号处理 

铂纳米棒网格 (ptnrgrids) 是纳米级铂棒,研究人员将其整合到脑电图设备中,该设备使用大脑皮层上的电极测量大脑中的电活动。据说 ptnrgrids 提供相对更高的空间分辨率和皮层覆盖率,以比传统的铂基传感器更有效地监测大脑信号。与现有的铂传感器不同,ptnrgrids 具有更大的感应表面积,使其对大脑活动(例如神经元放电)更加敏感。


这些纳米级网格是ucsd 最近关于脑信号记录和处理的研究的基础。皮层电图(或 ecog)是神经外科医生在对药物和其他形式的治疗免疫的患者执行敏感的医疗程序(例如脑肿瘤切除和癫痫治疗)时利用的工具。在手术过程中,外科医生在大脑表面整合了几个传感器网格来记录大脑活动。  

ptnrgrids 嵌入在称为聚对二甲苯的柔性生物相容性基板上。图片由ucsd提供

 

传统 ecog 网格的一个关键挑战是传感器数量少,这限制了神经外科医生识别由于肿瘤和其他神经系统问题引起的有缺陷的大脑区域的精确度。然而,通过由 ucsd 工程师、神经外科医生和医学研究人员组成的团队开发的新型 ptnrgrid,神经外科医生可以获得比目前用于脑信号监测的更高的 ecog 网格分辨率。


ucsd 新闻稿解释说,这种高 ecog 网格分辨率旨在更好地保护正常功能的脑组织,同时在复杂的脑外科手术中消除有缺陷的脑组织。研究小组通过利用铂基纳米棒的能力对传统的 ecog 网格进行了这些改进。

网格密集地挤满了 1,024 或 2,048 个嵌入式 ecog 传感器。图片由ucsd提供

 

该团队使用一种称为聚对二甲苯的柔软、透明且高度灵活的基板,将数千个 ptnrgrid 嵌入彼此接近的位置。这种基质减少了显着的电干扰,提高了信号质量,并稳定了 ptnrgrid 与大脑表面的连接。研究人员制造了带有环形小孔的网格,使网格能够安全地置换脊髓液,从而在大脑表面和传感器网格之间形成更好的界面。


弹出式传感器在创纪录的时间内检测心脏病 

加州大学圣地亚哥分校的另一组研究人员最近宣布发现了一种弹出式电子传感器,该传感器可以通过监测单个和多个心脏细胞的行为来有效检测心脏病。该传感器插入细胞而不会对它们造成任何损坏,以检测内部和外部电信号的存在。然后,它测量它们在单个心脏细胞、多个心脏细胞之间以及 3d 组织细胞内的行进速度。


借助这种传感器,心脏病专家可以通过检测不同细胞之间的不规则信号传播来更有效地诊断心脏病,例如心脏病发作、心律失常和心脏纤维化。

弹出式传感器与心脏细胞接口的图示。图片由ucsd提供

 

研究人员将一组 3d 微观场效应晶体管 (fet) 纳入其新传感器设备的设计和制造中。他们还通过在磷脂双层中掺杂 fet 来考虑安全性,消除了身体将它们视为外来物质的可能性。


根据他们在nature nanotechnology上发表的文章,该团队首先将 fet 制造成 2d 形状,将形状的特定点粘合到预拉伸的弹性体片材上,然后松开片材,从而构建了 3d fet 阵列。这个过程导致了一个弯曲的器件,并导致 fet 折叠成一个 3d 阵列结构,可以很容易地穿透细胞。

2d fet 形状弹出到 3d fet 阵列结构。图片由ucsd提供

 

虽然该设备是专门为心肌细胞和心脏组织设计的,但该团队认为它可以监测各种细胞结构中细胞器之间的电信号,使其可能用于新药测试。


pmic 研究合作 

除了在医疗技术方面的进步外,加州大学圣地亚哥分校最近还宣布成为电源管理集成中心 (pmic) 的成员。该中心是更大的产学合作研究中心 (iucrc) 计划的一部分,该计划专注于电力电子的性能。为此,ucsd 和达特茅斯正在与其他行业参与者合作,包括英飞凌科技、analog devices、英特尔、高通和 allegro microsystems。 


该j9九游会·(中国)真人游戏第一品牌的合作伙伴关系的目标是设计和创建电路拓扑,并以大限度地提高效率并大限度地减少设备占地面积和成本的方式应用能量存储。该中心打算使用下一代设备来提高包括消费、汽车和工业在内的多种电子应用的系统可靠性、稳健性和性能。

由 pmic 博士资助 学生 ziyu xia 展示了他的项目“an integrated 5:1 dc-dc converter”。图片由 andrila hait 和达特茅斯大学提供

 

此外,该中心旨在促进与行业需求相关的研究合作,包括开发具有高效率和功率密度的电源管理 ic、分立电源转换器和电路拓扑。该中心还希望为小型无源元件的高频操作设计、优化和控制更广泛的转换器架构。


pmic 计划利用成员机构的金融投资来开发知识库和劳动力,从而在短期和长期基础上提高电力电子的能力。


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