无线生理监测仪

在感染性疾病的诊断方面PCR技术在感染性疾病中尤其适用于检测一些培养周期长或缺乏稳定可靠检测手段的病原体。PCR的模板可以是DNA，也可以是RNA。模板的取材主要依据PCR的扩增对象，可以是病原体标本如病毒、细菌、真菌等。标本处理的基本要求是除去杂质，并部分纯化标本中的核酸。多数样品需要经过SDS和蛋白酶K处理。难以破碎的细菌，可用溶菌酶加EDTA处理。所得到的粗制DNA，经酚、氯仿抽提纯化，再用乙醇沉淀后用作PCR反应模板。PCR检测仪是用于新冠病毒核酸检测的关键设备，核酸检测是根据病毒的基因序列配制出相对应的引物和探针，利用PCR检测仪对待测样本进行扩增。近日，河南计量院研制出无线传输分体式PCR检测仪校准装置，基于自行设计的多通道温度检测模块，应用无线传输技术实现数据采集分析，设计指标满足《JJF 1527-2015 聚合酶链反应分析仪校准规范》的要求。只需将该装置的检测模块置入待校准的PCR检测仪中，工作人员无需进入实验室内部，即可对仪器进行校准，不但能够节约PCR检测实验室的管理运行成本和宝贵的防护资源，还能极大降低计量人员本身的感染风险，具有较好的推广应用价值。 无线传输是利用无线技术进行数据传输的一种方式。无线传输和有线传输是对应的。随着无线技术的日益发展，无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。无线图像传输作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式，建立被监控点和监控中心之间的连接。无线传输分为：1、模拟微波传输就是把视频信号直接调制在微波的信道上（微波发射机，HD-630），通过天线（HD-1300LXB）发射出去，监控中心通过天线接收微波信号，然后再通过微波接收机解调出原来的视频信号。2、数字微波传输就是先把视频编码压缩(HD-6001D)，然后通过数字微波(HD-9500)信道调制，再通过天线发射出去，接收端则相反，天线接收信号，微波解扩，视频解压缩，临了还原模拟的视频信号，也可微波解扩后通过电脑安装相应的解码软件，用电脑软解压视频，而且电脑还支持录像，回放，管理，云镜控制，报警控制等功能；存储服务器，配合磁盘阵列存储；这种监控方式图像有720*576、352*288或更高的的分辨率选择，通过解码的存储方式，视频有0.2-0.8秒左右的延时。数据采集分析过软硬件结合，可以记录、显示和分析众多生命科学相关信号，可以完全代替传统的纸带记录仪、绘图仪、XY绘图仪、示波器和电压计。把信号变成便于数字处理的形式，以减少数字处理的困难。无论计算机的容量和计算速度有多大，其处理的数据长度总是有限的，所以要把长时间的序列截断。在截断时，会引入一些误差，所以有时要对截取的数字序列加权，如有必要，还可用专门的程序进行数字滤波。然后把所得到的有限长的时间序列按照给定的程序进行运算。例如作时域中的概率统计、相关分析，频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。数据采集分析应用领域包括：血流动力学、离体组织灌流、离体器官、灌流、微血管张力测定系统、微循环血流测定（激光多普勒）、新陈代谢研究（运动生理学、心肺功能测定）、电生理系统（细胞内、细胞外、电压钳）、超声血流量测定、植入式生理信号（血压、生物电、神经干放电、体温等）无线遥测、心理学、清醒动物血氧饱和度测定、人体无创血压、心输出量测定。PCR检测仪是利用聚合酶链反应技术对特定DNA扩增的一种仪器设备，PCR技术的原理类似于DNA的天然复制过程，其特异性依赖于靶序列两端互补的寡核苷酸引物，由变性-退火-延伸三个基本反应步骤构成。PCR的三个反应步骤反复进行，使DNA扩增量呈指数上升。反应最终的DNA扩增量可用y=(1+X)n计算。Y代表DNA片段扩增后的拷贝数，X表示平均每次的扩增效率，n代表循环次数。平均扩增效率的理论值为百分百，实际反应初期，靶序列DNA片段的增加呈指数形式，随着PCR产物的逐渐积累，被扩增的DNA片段不再呈指数增加，而进入线性增长期或静止期，即出现“停滞效应”，使平均效率达不到理论值。PCR扩增仪通常由热盖部件、热循环部件、传动部件、控制部件和电源部件等部分组成。被广泛运用于医学、生物学实验室中，例如用于判断检体中是否会表现某遗传疾病的图谱、传染病的诊断、基因复制以及亲子鉴定等。PCR检测仪分类PCR仪分为普通PCR仪，梯度PCR仪，原位PCR仪，实时荧光定量PCR仪四类。荧光定量PCR仪光学校准方法实时荧光定量PCR仪特异性更强,自动化程度更高,且有效地解决了PCR污染的问题,应用领域及应用量都不断增加。但其设计更为复杂,温度模块和光学系统设计同时影响其性能和实验准确性,为定量PCR仪校准带来了巨大挑战。采用生物试剂等方式对定量PCR仪荧光部分校准缺乏溯源性,无法分析误差来源,存在较大缺陷。采用Cyclertest 3D optical定量PCR仪光学校准系统对ABI 7500 Fast Real-Time定量PCR仪的温场部分和荧光系统进行了检测并对检测结果进行了分析,结果表明对温度模块和光学系统共同进行检测并分析相关性能够更科学全面地评估定量PCR仪性能,满足定量PCR仪校准需求。

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当前，临床上监测颅内压等关键生理指标的技术，通常需要通过外科手术将有线传感器植入患者颅内。这种方法存在一定风险，如术后感染和并发症等。尽管现有的无线电子传感器能够在一定程度上降低这些风险，但由于它们的体积较大（例如，传统电子元件的截面积往往超过1平方厘米），因此不适合通过微创注射方式植入。此外，由于无线电子传感器不能在体内自然降解，患者还需要进行二次手术来移除它们。因此，在临床实践中，这些无线传感器也面临着许多挑战。华中科技大学臧剑锋教授、姜晓兵教授以及新加坡南洋理工大学陈晓东教授团队携手合作，研发出一种创新型可注射超声凝胶传感器。该传感器有望克服传统有线传感器存在的感染风险和术后并发症等问题，同时避免现有无线电子传感器体积过大、无法体内降解等临床应用挑战。相关研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"为题在线发表于《Nature》杂志。传感器结构与制备：这种名为"超声超凝胶"的传感器是由双网络交联的水凝胶基质和内部周期性排列的空气孔道组成，体积仅为2×2×2mm³ 。这种可注射传感器是研究团队采用摩方精密面投影微立体光刻(PμSL)3D打印技术(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，经水凝胶翻模制备而成。经过计算机模拟结构优化，该特殊结构在8-10MHz频段具有声学带隙，对入射超声波有很强的反射能力。图1. 可注射、可降解的超凝胶超声传感器设计原理。(a)基于超声反射的超凝胶无线颅内生理传感器示意图。(b)超凝胶样品及穿刺针照片，比例尺2 mm。(c)超凝胶结构显微镜照片，比例尺500 μm。(d)照片显示超凝胶浸泡在37度的PBS溶液中一个月后开始降解。(e)超凝胶工作原理示意图。(f)变形导致超凝胶反射峰值频率偏移示意图。(g)超凝胶能带结构图。(h, i)带隙中心频率随晶格常数(h)及占空比(i)变化曲线图。(j, k)超凝胶变形前后声场（仿真）分布。多功能凝胶传感器：研究团队设计了三种功能凝胶传感器用于检测不同参数。压力凝胶采用双交联聚乙烯醇/羧甲基纤维素凝胶，灵敏度可达5.7 kHz/mmHg，分辨率0.1 mmHg；温度凝胶由温敏性聚乙烯醇/聚丙烯酰胺凝胶构成,温度检测范围28-43℃，分辨率0.1℃，灵敏度80kHz/℃；pH凝胶则利用质子化聚乙烯醇/壳聚糖凝胶，可检测pH 2-8的范围，分辨率0.5 pH单位，灵敏度256 kHz/pH单位。这些凝胶均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入体约1个月后可自然降解，无需再次开颅取出。同步读取与算法：研究团队提出了同步读取多个凝胶传感器的新方法。通过检测各个凝胶的反射频率变化，结合先进算法，可高效分离压力、温度、pH等多种因素的耦合影响，实现对复杂生理环境的全面监测。图2. 超凝胶超声传感器体外测试表征。(a)温度及pH响应超凝胶示意图。(b)超凝胶及纯水凝胶照片（顶部）与超声图像（底部），比例尺2 mm。(c)超凝胶结构显微镜照片，比例尺500 μm。(c, d)超凝胶与纯水凝胶超声反射信号时域对比(c)与频域对比(d)。(e)压力超凝胶与商用压差计压力测试对比。(f)压力超凝胶校准曲线。(g) 温度超凝胶与商用温度计温度测试对比。(h) 温度超凝胶校准曲线。(i) pH超凝胶与商用温度计温度测试对比。(j) pH超凝胶校准曲线。(k) 压力超凝胶反映临近血管模型内流速。动物实验结果：在大鼠和猪的动物实验中，这一凝胶传感系统展现出媲美商用有线临床设备的检测精度，且在耗能、无热效应等方面表现出极大优势。值得一提的是，在实验猪体内，它甚至能检测到微小的呼吸引起的颅内压力细微波动(约1 mmHg)，而同步植入的有线压力传感器则无法监测到如此精细的变化。图3. 活体大鼠传感实验及生物相容性表征。(a)实验装置配置照片。(b)超凝胶植入在大鼠颅内的磁共振图像，比例尺2 mm。(c)大鼠佩戴外部超声探头照片。(d)超凝胶与临床有线颅内压探头测试大鼠颅内压力变化曲线。(e, f) 超凝胶与商用有线温度探头测试大鼠颅内温度变化曲线。(g)超凝胶24天内多次监测大鼠颅内压变化。(h) H&E染色脑组织切片照片显示超凝胶降解过程。(i) 免疫荧光染色照片显示超凝胶存续期间炎症情况。图4.实验猪无线颅内压原位监测。(a)实验方案配置示意图。(b)超凝胶及临床有线颅内压探头植入后猪头部照片。(c) 猪腰椎穿刺位置照片。(d)超声图像照片显示超凝胶植入猪颅内位置。(e) 超凝胶、商用压差计以及临床颅内压探头测量猪颅内压随腰椎注射生理盐水变化曲线。(f)体积测试管液面高度照片显示猪颅内压随呼吸起伏。(h) 超凝胶、商用压差计以及临床颅内压探头测量猪颅内压随呼吸变化曲线。临床颅内压探头难以测量微小颅内压变化。总结：该研究提出了一种创新型的植入式无线传感技术，该技术基于超凝胶材料变形所引发的超声波频移效应，能够精确地监测颅内各种生理参数，如颅内压、温度、pH值以及血液流速等。相较于目前市场上的植入式传感器，超凝胶传感器在尺寸、多参数分离监测能力以及可生物降解特性上展现出明显优势。这项技术不仅有望应用于颅内生理参数的监测，还能够扩展至人体其他部位的无创检测，从而为多种疾病的预防和治疗提供了新的技术支持。这种微型且可自然降解的传感器通过微创注射即可使用，大幅提升了患者的就诊便捷性，并为智能医疗健康领域的发展注入了新的活力。