超灵敏眼压监测隐形眼镜传感器-8.29

原创 云深之无迹 2024-09-04 20:17

真新,顺手一写。液态金属形成可拉伸电感和电容的LC隐形眼镜传感器,电容极板和电感线圈可以同时响应眼压变化。

可以看到 LC 电路在精密测量上面的应用,也有完整的传感器评估。整体不算很复杂,在商用上面也有一些优势的,另外力学推导比较详细,可以学习。

8 月 29 号发布

最近,基于柔性电子和集成电路等尖端技术构建的植入式或可穿戴传感器已被研究用于连续眼压监测。植入式传感器具有精度高、抗干扰性好的优点,但由于手术相关风险以及长期使用下设备的安全性和可靠性存疑,其使用受到限制。相反,基于隐形眼镜的可穿戴传感器因其非侵入式和可拆卸特点而备受推崇,目前原则上包括三种类型:微流体、光学和电气。微流体和光学传感器由于其视觉或光学信号检测格式,无法在夜间闭上眼睑时检测眼压。

高精度、低成本、使用舒适的便携式眼压检测仪,可以看之前写的一个。

而电传感器因能实现全天候24小时眼压测量而占据主流。用于眼压监测的电传感器大致包括两种类型:射频集成电路(RFIC)和电感电容(LC)谐振 。对于含有FRIC的传感器(例如TriggerFish镜片), RFIC芯片保证了系统的功能,但其刚性和高刚度导致镜片厚度显著增加,佩戴舒适度差,并且易受角膜擦伤,尤其是在夜间睡眠时。

基于液晶技术的隐形眼镜传感器原理和结构相对简单,通常由功能导电材料(如传统金属Cu或Au、银复合材料、室温液态金属等)构成柔性液晶传感器,并与生物相容性聚合物(如水凝胶、硅酮、PI)集成。其中,以Cu、Au、PI等为材料的电容式眼压传感器通常采用间隙可变的方式,灵敏度高但人机佩戴可用性差,主要是因为镜片厚度较大,电子元件的硬度远高于生物角膜。
以Cu、Au、PI等为材料的电感式眼压传感器通常采用线圈直径可变的方式,厚度较小,佩戴舒适度足够,但灵敏度较低。尽管还有将电感线圈设计成蛇形以提高柔韧性的方法,但灵敏度的提升仍然有限。
目前采用银复合材料(AgSEBS)的隐形眼镜传感器利用电容和电感同时响应眼压的原理,该装置灵敏度高,适合人眼佩戴。但是,材料导电性较低,产生的LC信号质量低,不显眼,导致信号采集不太容易。
一开始提出了由液态金属构成的隐形眼镜传感器,该装置由可拉伸的液态金属电感线圈和刚性芯片电容器组成,形成LC环路,通过电感线圈直径响应眼压变化。液态金属具有高导电性和柔软性,从而带来了信号质量的提升和装置佩戴舒适度的提升。但相比之下,该装置灵敏度稍差。
进一步提出了一种利用液态金属形成可拉伸电感和电容的LC隐形眼镜传感器,电容极板和电感线圈可以同时响应眼压变化,原则上可以提高灵敏度。还模拟了隐形眼镜传感器的眼压传感机制,并进行了设计、制作以及可用性和可靠性测试。

隐形眼镜传感器的结构

该传感器由室温液态金属和硅胶组成,两侧硅胶包裹并密封内部液态金属结构。液态金属在镜片内部设计为上下双层造型,上层线圈为单圈旋转造型,呈现电感特性,而下层线圈为往返造型,其电感特性较小。但由于与上层线圈正对,上下对应区域通过中间硅胶作为介电层形成电容。电容与电感构成LC谐振电路。

同时由于硅胶和液态金属均为软性材料,电容与电感均具有柔性可拉伸性,因而均可对眼压变化做出响应。LC谐振电路的两个主要特性参数(谐振频率和品质因数)与电容、电感、电阻有关,计算公式为:

公式可以看补篇

元件模型

可以看到哪里的形变导致了 LC 的频率变化


矢网有点贵呀

眼压监测的信号采集设置,它是通过外部读取线圈连接矢量网络分析仪 (VNA) 来实现的。读取线圈可以集成在框架眼镜或眼罩内,在近距离提供与传感器线圈的充分电磁感应耦合,而不会干扰用户的日常生活。VNA 可以监测 LC 环路的阻抗参数或散射参数 (S 参数) 这里,基于对 LC 信号的分析,选择在眼压测量期间要获取的阻抗实部频谱

使用隐形眼镜检测眼压是一种间隔法,因为眼压不是直接作用在隐形眼镜上,而是作用在角膜上。隐形眼镜通过泪膜与角膜相连。

泪膜由脂质层、水层和粘蛋白层组成。隐形眼镜的压缩(由眼睑压缩或眼压升高引起)将驱使泪膜中的脂质层和水层溢出,然后粘蛋白层将角膜与隐形眼镜连接起来。

粘蛋白层是蛋白质和水的混合物,具有粘弹性,可以传递应力。对于整体结构而言,眼压传感过程可以描述如下:随着眼压的升高,角膜扩张变形(曲率半径增加和切向拉伸),然后这种变形通过泪膜应力的作用传递到隐形眼镜,导致隐形眼镜拉伸变形。可拉伸的液态金属线圈直径和宽度会增加,导致电感和电容增加,谐振频率降低,在此过程中角膜与泪膜、泪膜与隐形眼镜界面存在应力相互作用。

可靠性是隐形眼镜传感器的另一个重要考虑因素,特别是对于长期使用而言。在整个生命周期中,隐形眼镜传感器通常要经历体内眼部佩戴、体外清洁和储存。

显示,在 4000 次拉伸(拉伸率分别为 25% 和 50%)和折叠循环中,隐形眼镜传感器的谐振频率偏移小于 0.3 MHz,这证明了隐形眼镜传感器具有良好的机械可靠性,足以承受人体体内佩戴、测量和取下过程中可能遇到的机械变形。

首先在仿生眼球下测试隐形眼镜传感器的无线传感性能

图显示了实验装置,其中定制的基座通过粘合剂固定由硅胶制成的仿生角膜,以及注射泵和压力计,通过宝塔连接器在两侧连接以进行内部加压和记录。

c 、 d分别为两个眼球下的共振频率动态跟踪眼压的结果

e共振频率与眼压的校准

隐形眼镜传感器和读取线圈之间不同距离和角度的光谱信号和频率偏移(平均值±SD)。

图为不同眼压下隐形眼镜传感器的频谱信号,随着眼压的升高,阻抗实部频谱信号左移,谐振频率降低,与以前理论模型的变化趋势一致。

另外,还可以看出,阻抗峰值随压力的增加而增大,这主要是由于角膜扩张导致读取线圈与隐形眼镜传感器之间的距离减小,两者的互感耦合系数增大所致。

这个测量测试和我做的实验图差不多

真实的样子

测量探头在外部

这个人眼有点红。。。

a佩戴隐形眼镜传感器的人眼照片。

b 佩戴隐形眼镜传感器 6 小时后对角膜表面进行裂隙灯荧光检查。

c头低位卧床实验下共振频率和 Icare 眼压随时间的变化。

头低位卧床实验下共振频率和 Icare 眼压随时间的变化。

这个传感器看起来是偏高的,icare 的也是偏高的

长时间佩戴(>16 小时)后兔眼钠荧光染色的照片

https://www.nature.com/articles/s41528-024-00341-z

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