毫米级柔性电-机械传感器：无创实时解析深层软组织生物力学

研究背景与目的

开发一种微型化的电-机械装置，用于实时、精准地测量皮下软组织（1–8 mm）的杨氏模量，以辅助诊断皮肤病（如银屑病）及其他疾病。

技术原理

• 核心组件：

• 振动致动器：镍镀钕磁铁（直径8 mm）+ 铜线圈（50 Hz交流驱动），产生洛伦兹力驱动振动。

• 应变传感器：蛇形金质电阻应变片（嵌入聚酰亚胺-PDMS柔性基板），通过电阻变化检测组织变形。

  
  

• 测量机制：磁铁振动引发组织应变，应变片电阻变化经锁相放大器转换为电压信号（VS），与组织弹性模量（E）成反比。

图1 用于传感软组织弹性模量的毫米级机电系统

性能验证

• 材料测试：

• 水凝胶（37 kPa–1.5 MPa）、猪皮（95 kPa–1 MPa）及人工皮肤（PDMS）的模量测量结果与生物压痕仪、DMA测试结果一致。

• 人体实验：

• 健康志愿者（20人）：皮肤模量随年龄增长而增加（如年轻组205 kPa vs 老年组320 kPa），不同部位（腹部、脸颊、指尖）差异显著。

• 患者（5人银屑病）：病变区域模量比周围健康皮肤高~110 kPa（如手臂病变区120 kPa）。

图2 水凝胶以及猪和人皮肤的模量测量

创新应用

• 深度可调：通过缩小磁铁尺寸（8 mm→1.5 mm），测量深度从8 mm降至1.6 mm，实现真皮层（~1 mm）的浅层分析。

• 多层组织分析：利用不同尺寸传感器组合，解析双层结构（如皮肤+脂肪）各层模量（例：脸颊皮肤248 kPa vs 内层59 kPa）。

• 空间映射：4×4阵列传感器（100 cm²）可动态监测背部肌肉收缩时的模量变化（松弛310 kPa→收缩430 kPa）。

图3 用于问题模量空间映射的EMM传感器多路阵列

临床潜力

• 快速诊断：单次测量<1分钟，适用于医院或家庭场景。

• 疾病监测：量化银屑病、硬皮病等病变区域的硬度差异，辅助疗效评估。

• 未来方向：开发无线可穿戴系统，实现日常连续监测。
  

关键数据总结

• 测量范围：模量10–500 kPa（覆盖多数软组织），深度1–8 mm可调。

• 精度：误差<5%，信噪比~40 dB，重复性标准差<1 μV。

• 可靠性：100次贴合后性能无衰减，7天汗液浸泡后稳定。