研究背景與目的

開發(fā)一種微型化的電-機(jī)械裝置，用于實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地測(cè)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(shù)原理

• 核心組件：

• 振動(dòng)致動(dòng)器：鎳鍍釹磁鐵（直徑8 mm）+ 銅線圈（50 Hz交流驅(qū)動(dòng)），產(chǎn)生洛倫茲力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)。

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

  
  

• 測(cè)量機(jī)制：磁鐵振動(dòng)引發(fā)組織應(yīng)變，應(yīng)變片電阻變化經(jīng)鎖相放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（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(jí)機(jī)電系統(tǒng)

性能驗(yàn)證

• 材料測(cè)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(cè)量結(jié)果與生物壓痕儀、DMA測(cè)試結(jié)果一致。

• 人體實(shí)驗(yàn)：

• 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(qū)域模量比周圍健康皮膚高~110 kPa（如手臂病變區(qū)120 kPa）。

圖2 水凝膠以及豬和人皮膚的模量測(cè)量

創(chuàng)新應(yīng)用

• 深度可調(diào)：通過縮小磁鐵尺寸（8 mm→1.5 mm），測(cè)量深度從8 mm降至1.6 mm，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)（如皮膚+脂肪）各層模量（例：臉頰皮膚248 kPa vs 內(nèi)層59 kPa）。

• 空間映射：4×4陣列傳感器（100 cm2）可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)背部肌肉收縮時(shí)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(cè)量<1分鐘，適用于醫(yī)院或家庭場(chǎng)景。

• 疾病監(jiān)測(cè)：量化銀屑病、硬皮病等病變區(qū)域的硬度差異，輔助療效評(píng)估。

• 未來方向：開發(fā)無線可穿戴系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)日常連續(xù)監(jiān)測(cè)。
  

關(guān)鍵數(shù)據(jù)總結(jié)

• 測(cè)量范圍：模量10–500 kPa（覆蓋多數(shù)軟組織），深度1–8 mm可調(diào)。

• 精度：誤差<5%，信噪比~40 dB，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差<1 μV。

• 可靠性：100次貼合后性能無衰減，7天汗液浸泡后穩(wěn)定。