毫米級柔性電-機械傳感器：無創實時解析深層軟組織生物力學

研究背景與目的

開發一種微型化的電-機械裝置，用于實時、精準地測量皮下軟組織（1–8 mm）的楊氏模量，以輔助診斷皮膚病（如銀屑病）及其他疾病。

技術原理

• 核心組件：

• 振動致動器：鎳鍍釹磁鐵（直徑8 mm）+ 銅線圈（50 Hz交流驅動），產生洛倫茲力驅動振動。

• 應變傳感器：蛇形金質電阻應變片（嵌入聚酰亞胺-PDMS柔性基板），通過電阻變化檢測組織變形。

  
  

• 測量機制：磁鐵振動引發組織應變，應變片電阻變化經鎖相放大器轉換為電壓信號（VS），與組織彈性模量（E）成反比。

圖1 用于傳感軟組織彈性模量的毫米級機電系統

性能驗證

• 材料測試：

• 水凝膠（37 kPa–1.5 MPa）、豬皮（95 kPa–1 MPa）及人工皮膚（PDMS）的模量測量結果與生物壓痕儀、DMA測試結果一致。

• 人體實驗：

• 健康志愿者（20人）：皮膚模量隨年齡增長而增加（如年輕組205 kPa vs 老年組320 kPa），不同部位（腹部、臉頰、指尖）差異顯著。

• 患者（5人銀屑病）：病變區域模量比周圍健康皮膚高~110 kPa（如手臂病變區120 kPa）。

圖2 水凝膠以及豬和人皮膚的模量測量

創新應用

• 深度可調：通過縮小磁鐵尺寸（8 mm→1.5 mm），測量深度從8 mm降至1.6 mm，實現真皮層（~1 mm）的淺層分析。

• 多層組織分析：利用不同尺寸傳感器組合，解析雙層結構（如皮膚+脂肪）各層模量（例：臉頰皮膚248 kPa vs 內層59 kPa）。

• 空間映射：4×4陣列傳感器（100 cm2）可動態監測背部肌肉收縮時的模量變化（松弛310 kPa→收縮430 kPa）。

圖3 用于問題模量空間映射的EMM傳感器多路陣列

臨床潛力

• 快速診斷：單次測量<1分鐘，適用于醫院或家庭場景。

• 疾病監測：量化銀屑病、硬皮病等病變區域的硬度差異，輔助療效評估。

• 未來方向：開發無線可穿戴系統，實現日常連續監測。
  

關鍵數據總結

• 測量范圍：模量10–500 kPa（覆蓋多數軟組織），深度1–8 mm可調。

• 精度：誤差<5%，信噪比~40 dB，重復性標準差<1 μV。

• 可靠性：100次貼合后性能無衰減，7天汗液浸泡后穩定。