集成于针灸针尖的超微型压力传感器用于局部肌肉反应的体内监测

《Micromachines》：An Ultraminiature Pressure Sensor Integrated into Acupuncture Needle Tip for In Vivo Monitoring of Local Muscle Response

　　

针灸过程中局部肌肉反应的实时监测可揭示针灸的作用机制，并提供客观反馈以支持更精确的针控。然而，针灸针的小尺寸对传感器的小型化和封装提出了严格约束。本研究提出了一种集成于直径450 μm针灸针尖的超微型压力传感器。该传感器尺寸为200 × 1250 × 50 μm³，采用细长型压力敏感膜片。通过晶圆级AuSn焊料沉积和热压焊接将芯片连接至穿过直径230 μm针腔内径的超细导线带。1.3 μm厚的Parylene C涂层提供电绝缘。涂层后，传感器在3.3 V激励下表现出40.3 μV/kPa的灵敏度，保留了未涂层灵敏度的78.4%。在90–150 kPa绝对压力和25–45 °C范围内的表征结果显示最大非线性度约为满量程（FS）的0.73%。涂层传感器的最大迟滞为2.52% FS。在大鼠足三里穴位的体内实验记录了提插手法过程中的压力变化。这些结果证明了监测针灸过程中局部肌肉反应的可行性及其为针法操作提供定量反馈的潜力。

研究背景方面，针灸作为中医传统治疗手段，通过将不锈钢针刺入穴位刺激局部肌肉以达到治疗目的。对针灸过程进行客观记录和定量表征可为理解针灸机制提供实验依据。开发能够在针刺部位获取局部信息的传感工具是迈向定量针灸研究的重要一步，此类工具可对针体运动和交互力进行客观测量，有望支持更精确和可重复的针法操作。近年来微加工和传感技术的进步扩展了针集成传感器的功能，研究人员已将传感材料和传感器集成到针体或针尖上，实现了温度、pH及多种生化参数的监测。在针灸力学表征方面，Xu等开发了基于多轴力/扭矩传感器的测量与识别系统，记录了提插力和捻转扭矩，但该系统测量的是通过针体传递的合力与合力矩，可能包含针尖和针体不同接触区域的力学贡献，难以分辨针尖附近的局部肌肉反应。因此，在针尖集成超微型压力敏感元件可提供更直接的局部肌肉反应测量。针型植入式压力传感器已被探索用于生物医学压力测量，但将其适配于针灸仍面临细针集成、压力传递和封装后传感性能等方面的挑战。Kishimoto等开发了针尖带Parylene膜片、内部填充硅油的针型压力传感器，将压力传递至外部壳体中的硅压阻悬臂梁，针径为0.45 mm，封装后器件灵敏度约为未涂层悬臂梁的1/800。Roh等将电容式压力传感器封装在针形金属壳体中，但封装直径约为2.8 mm，且压力响应在部分测量范围内呈非线性。此外，近期微型化植入式压力传感器的进展包括用于心内测量的亚毫米无源器件和用于颅内压监测的可注射超声水凝胶传感器，但这些器件作为与穿刺器械分离的植入物部署，均未实现在细针灸针尖的集成以进行局部压力测量。因此，针灸压力传感需要器件小型化、针尖局部传感和绝缘封装后压力响应保持三方面的协同发展。基于此，研究人员设计并制备了一种集成于直径450 μm针灸针尖的超微型压力传感器，传感器尺寸为200 μm × 1250 μm × 50 μm（宽×长×厚），将细长型压力敏感膜片与排列成惠斯通电桥的压阻器相结合。为在针腔内建立电连接，通过晶圆级蒸发沉积AuSn焊料，随后半自动热压焊接到超细漆包线带上，线带穿过230 μm内径的针腔并连接至外部柔性印刷电路（FPC）。与研究人员此前工作中使用的长SU-8支撑薄膜金属互连相比，该方法减少了每个器件占用的晶圆面积。Parylene C涂层提供电绝缘，并评估了其对压力灵敏度的影响。研究人员在受控压力和温度条件下对封装传感器进行表征，然后在大鼠足三里（ST36）穴位针灸过程中进行评估，以评价传感器监测针灸过程中局部肌肉压力反应的能力并探索其为更精确针法操作提供信息的潜力。

在关键技术方法方面，研究人员采用有限元分析（COMSOL）对膜片应力分布进行建模以指导压阻器布局；基于4英寸绝缘体上硅（SOI）晶圆，利用牺牲层工艺制备密封真空腔和低应力多晶硅膜片，通过硼离子注入形成压阻器；采用晶圆级AuSn焊料沉积结合半自动热压焊接实现芯片与超细漆包线带的电连接；通过化学气相沉积Parylene C涂层实现电绝缘封装；在体外搭建气密腔压力测试系统结合温控箱进行压力-温度表征；体内实验使用Sprague–Dawley大鼠（购自成都达硕实验动物有限公司），在足三里（ST36）穴位进行提插手法操作，采用自制便携式测量系统以10 kHz采样率采集信号并用Savitzky–Golay滤波处理。

研究结果方面，在结构设计与传感器建模部分，研究人员将细长膜片近似为固支矩形板建立一维板模型，计算了均匀压力差下的纵向和横向表面应力分布，发现长边附近为拉伸区、膜片中心为压缩区，据此将R1和R4置于中心压缩区、R2和R3置于拉伸区，并通过三维COMSOL模型验证了改进膜片几何形状中的应力分布。惠斯通电桥中电阻对处于相反应力状态，其电阻变化对差分输出产生建设性贡献，从而将膜片变形转换为可测电压信号。通过添加Parylene C层模拟发现膜片位移随涂层厚度增加而减小，表明涂层抑制了压力引起的膜片变形，预计降低压力灵敏度；基于Parylene C薄膜厚度大于1 μm可提供无针孔电绝缘的报道，选择1.3 μm作为电绝缘与灵敏度保持之间的实用折衷。在制备与封装部分，研究人员基于SOI晶圆制备了50 μm厚的传感器芯片，利用牺牲SiO₂层制备压力敏感腔，LPCVD沉积1 μm低应力多晶硅膜片，40%氢氟酸去除牺牲层后密封腔体获得约30 Pa的参考压力；压阻器通过硼注入（剂量3.4 × 10¹⁴ cm^?2，能量40 keV）制备，欧姆接触区采用更重注入（5.5 × 10¹⁵ cm^?2）；Cr/Au互连后蒸发沉积0.2 μm Pt扩散阻挡层和4 μm AuSn焊料层，选择共晶AuSn因其与Au金属化表面的兼容性、机械强度和热稳定性；通过背面深反应离子刻蚀（RIE）和正面刻蚀释放芯片。封装方面，制备了焊盘间距匹配的镀金超细漆包线带，激光去除端部0.2 mm绝缘层，在40–45 gf键合力、300 ± 10 °C温度、3 s停留时间下进行AuSn热压焊接，随后氧等离子体处理并气相沉积1.3 μm Parylene C涂层，线带自由端从针尖穿入针腔经针座引出并通过Sn基焊接连接外部FPC，使用经生物相容性测试的UV固化胶粘剂LOCTITE? AA 3311?将传感器固定于内径仅230 μm的针尖，同时通过针尖开口暴露压力敏感区域。在性能测试部分，研究人员在气密腔中连接手动压力泵和参考数字压力表（精度±0.05% FS）进行表征，传感器施加3.3 V直流激励，在25–45 °C范围内压力灵敏度随温度增加，灵敏度温度系数（TCS）约为+0.657%/°C，在90 kPa处输出电压随温度升高而降低，失调温度系数（TCO）约为?1.062% FS/°C，所有测试温度下输出电压-压力关系非线性度低于0.73% FS。1.3 μm Parylene C涂层后灵敏度从51.4降至40.3 μV/kPa，与模拟的膜片位移减小一致；三次连续加卸载循环最大迟滞为2.52% FS。附加测试表明传感器在生理盐水中经600次压力加卸载循环响应可重复，基于3σ准则估计的压力分辨率为0.72 kPa，实验可分辨1.25 kPa压力变化， successive过载（最终压力超过700 kPa绝对压力）卸载后输出恢复至接近初始基线。在体大鼠测量部分，研究人员开发了便携式测量系统，精密电源模块提供3.3 V激励，仪表放大器放大差分输出并施加直流偏置以匹配数据采集设备输入范围，以10 kHz采样率采集信号并实时显示记录，采用二阶多项式1000点窗口（对应100 ms）Savitzky–Golay滤波器平滑信号。实验前初步检查显示针尖浸入生理盐水和空气中上下移动时传感器输出稳定，支持湿环境电绝缘且无明显基线漂移。大鼠保持清醒，室温维持23 ± 1 °C，使用此前工作开发的温度传感针在距穴位约1 cm处监测局部肌肉温度，待温度读数稳定后插入压力传感针，初始深度5 mm后反复下移5 mm（提插）再上移5 mm返回初始深度。传感器输出和动物反应全程监测，由于膜片尺寸小，假设其表面法向载荷变化可忽略，载荷近似为均匀分布，记录电压通过气密腔均匀气压下获得的校准关系转换为等效局部压力。针插入和拔出伴随明显的传感器输出变化，提插手法中信号在逐渐升高的基线上呈现重复升降，操作开始时观察到明显的动物运动与较大信号波动同时出现。局部肌肉温度稳定在35.3 ± 0.2 °C，根据TCS和TCO值调整至35.3 °C的校准曲线转换压力。第一个提插循环中压力增加超过15 kPa后下降，压力升降与针的提插定性一致，后续提插手法中观察到重复压力波动，5个连续峰值标记为①–⑤。传感器在针插入、提插手法和拔出全程保持工作，支持其在体内针灸过程中监测局部肌肉压力反应的可行性。在结论部分，研究人员制备了集成于直径450 μm针灸针尖的超微型压力传感器，通过AuSn焊接至超细线带实现了穿过230 μm直径针腔的电连接，1.3 μm厚电绝缘Parylene C涂层后传感器在3.3 V激励下灵敏度为40.3 μV/kPa，最大迟滞为2.52% FS，大鼠足三里（ST36）穴位体内实验证明传感器在针插入、提插手法和拔出全程连续工作，为定量研究针灸过程中局部肌肉反应提供了工具，具有支持更精确针法操作的潜力。

讨论部分总结：本研究通过将超微型压力传感器直接集成于450 μm直径针灸针尖，无需液体介导的压力传递结构，在Parylene C绝缘涂层后仍保持有效压力响应，实现了针灸手法过程中局部肌肉力学反应的监测。与既往针相关微型化压力传感器相比，本器件在针尖直接集成、封装后灵敏度保持和局部压力测量方面具有优势。体内实验证实了传感器在针灸操作全程连续工作的可行性，为定量针灸研究提供了新工具。研究结论翻译：研究人员制备了一种集成于直径450 μm针灸针尖的超微型压力传感器。通过AuSn焊接至超细线带实现了穿过直径230 μm针腔的电连接。带有1.3 μm厚电绝缘Parylene C涂层时，传感器在3.3 V激励下灵敏度达到40.3 μV/kPa，最大迟滞为2.52% FS。大鼠足三里（ST36）穴位的体内实验证明传感器在针插入、提插手法和拔出全程连续工作。本工作为定量研究针灸过程中局部肌肉反应提供了工具，具有支持更精确针法操作的潜力。