导读
植入式传感器能够对来自内部器官和组织的生理信号进行精确、连续且微创的监测，从而有助于及时诊断、闭环干预以及先进的健康管理。在各类植入式传感器中，那些能够测量诸如温度、力和流量等物理参数的传感器尤为重要，因为它们能够监测对几乎所有器官都至关重要的物理状况，并为广泛的健康状况提供深入了解。本综述介绍了四种关键类型的植入式物理传感器的最新进展：应变传感器、压力传感器、温度传感器和流量传感器。内容涵盖了它们的工程原理、设计考量、在体性能以及临床相关性。该综述还探讨了植入式物理传感器发展过程中的关键挑战及未来机遇，例如柔韧性与可拉伸性、生物相容性、长期稳定性以及这些传感技术从实验室到临床的转化问题。
图文摘要
01. 介绍
图1. 用于各器官健康监测的植入式物理传感器概述。a. 植入式物理传感器的典型示例及其在体内不同系统器官监测中的应用；b. 不同器官和组织的应变范围及弹性模量；c. 植入式传感器中所使用的代表性基底材料的应变范围及弹性模量。
02. 应变传感器
图2. 植入式应变传感器及其在测量器官和组织形变方面的应用。a. 植入式应变传感器常用的传感机制；b. 一种用于监测手术后膀胱功能恢复情况的无线应变传感系统；c. 一种带有组织黏合剂的水凝胶基应变传感器，用于在猪模型中监测膀胱过度活动症；d. 由金 - 二氧化钛纳米线制成的全植入式应变传感器，用于连续监测心脏容积；e. 一种自适应心脏光遗传学装置，集成了负拉伸电阻传感器阵列；f. 一种用于植入式韧带应变监测的有机凝胶 / 硅酮传感器；g. 用于跟腱应变传感的可拉伸纤维传感器；h. 绵羊肌腱上应变传感器的示意图；i. 附着在绵羊肱骨表面的多模态传感器的照片；j. 用于小鼠皮下植入的多路应变传感阵列示意图；k. 用于监测骨缺损的植入式应变传感器示意图。
03. 压力传感器
图3. 植入式压力传感器及其在测量颅内压、血压和其他内部压力方面的应用。a. 电容式压力传感器示意图；b. 压电式压力传感器示意图；c. 光学压力传感器示意图；d. 一种可生物吸收的光学传感器，它能将波长转换为压力以监测颅内压；e. 一种基于电感电容（LC）电路的电阻式压力传感器，它可将蜿蜒钼轨道的形变转换为压力来监测颅内压；f. 一种带有水凝胶生物黏合剂的可生物吸收的无线电阻式压力传感器示意图；g. 一种可生物吸收的压电式压力传感器，它能将电极形变转换为压力，用于术后护理；h. 一种位于主动脉上、由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚酰亚胺（PI）封装的无线动脉外袖带式电容传感器；i. 一种热自反馈电容式聚合物支架，它能将电容变化转换为压力，用于检测支架内再狭窄和心脏功能动态；j. 一种用于连续监测血压和血管血流动力学的动脉外基于霍尔效应的磁传感器；k. 一种可生物吸收的摩擦电压力传感器，它能将电压变化转换为压力，用于心血管术后的连续监测。
04. 流量传感器
图4. 具有代表性的植入式流量传感器在监测心血管系统血流和呼吸系统气流方面的传感机制与应用。a. 四种摩擦电纳米发电机（TENG）传感机制图示；b. 压电纳米发电机（PENG）示意图；c. 热释电效应示意图；d. 湿电效应示意图；e. 一种流量传感器设计的示意图，其特点是在肺动脉内部植入了一个多传感模块；f. 带有用于猪模型肾脏血流控制的流量探头的示意图及照片；g. 植入兔动脉的无线支架系统的示意图及图片；h. 一种支架式流量传感器及其在呼吸监测中的应用图示；i. 一种用于在肺内气道原位测量呼吸的导管传感器系统。
05. 温度传感器
图5. 植入式温度传感器及其在监测炎症和辅助治疗方面的应用。a、b、c. 植入式温度传感器的典型传感机制：(a) 电阻式温度探测器；(b) 热电偶；(c) 超结构温度探测器；d. 一种用于长期监测肠道克罗恩病特征温度模式的无线植入式温度传感器；e. 一种用于监测坐骨神经损伤恢复过程中炎症情况的袖套式植入式温度传感器；f. 一种用于监测肾移植排斥反应的植入式温度传感器贴片；g. 一种集成了温度传感器的神经探针，用于在脑部电刺激过程中进行实时监测；h. 一种带有集成温度传感器的光热治疗贴片，用于在骨骼治疗过程中进行实时监测；i. 一种声学温度传感器，用于在聚焦超声治疗期间进行同步温度反馈。
06. 结论与展望
图6. 植入式物理传感器在设计、测试及体内性能方面的关键考量因素
本文亮点
对植入式物理传感器的最新进展进行了全面综述。 探讨了植入式物理传感器的工程原理、设计考量、体内性能以及临床应用情况。
植入式物理传感器为实时、微创的器官监测提供了极具吸引力的机会。
作者：赵月棠
审核：方 俊
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https://link.springer.com/article/10.1007/s44258-024-00047-x
引用格式
Li, X., Huang, X., Yang, L. et al. Implantable physical sensors for in vivo organ monitoring. Med-X 3, 1 (2025). https://doi.org/10.1007/s44258-024-00047-x
作者简介
李轩，美国南加州大学航空与机械工程系博士后研究员。于2023年获得清华大学机械工程专业博士学位。他目前的研究重点是开发胶体微纳米颗粒受控自组装及高精度图案化方法，开发可穿戴与可植入式柔性传感设备。
赵航波，美国南加州大学航空与机械工程系以及生物医学工程系助理教授。他的研究方向是微纳制造和柔性电子在生物医学传感和柔性机器人等领域的应用。他2017年博士毕业于麻省理工，随后在西北大学进行博士后研究。他曾获得ONR Young Investigator Award, 美国制造工程师学会杰出青年制造工程师奖以及ASME Haythornthwaite基金会青年研究员奖。
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