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智慧植入物發展動向

薛孝亭/ 發布日期:2024/05/06/ 瀏覽次數:263

一、智慧植入物介紹

智慧植入物為結合感測器、電子裝置、遙控系統、藥物遞送系統等裝置系統之植入物。依照功能可進一步細分為監測型智慧植入物以及治療型智慧植入物。監測型智慧植入物能即時偵測植入部位的壓力、溫度、組織排列與生長狀態等參數,並將數據傳輸給醫療人員,使醫療人員能更了解病患狀況,提升療程有效性,可應用於骨科、牙科、神經系統疾病(圖一)。治療型智慧植入物除了具備感測器之外,還具備藥物遞送系統、電極等裝置,得以定時遞送藥物(如抗生素或抗發炎藥物)給患者,或者得以透過電療刺激控制骨骼生長、防止生物膜的形成。本文將針對監測型智慧植入物,介紹其優勢、挑戰、技術趨勢與創新案例。
 

 

二、監控型智慧植入物優勢與挑戰

相較於傳統植入物,監測型智慧植入物具備諸多優勢,包括:

(1) 植入物定位:於手術中與手術後,能測量植入物承受之壓力、位移等參數變化等,能確定植入物的擺放位置是否合適,減少二次手術機率。
(2) 遠距監測:可監測患者傷口復原與骨骼癒合情形,並且幫助醫療人員選擇最適合患者的治療方案,加速傷口復原並且提供個人化護理。對脊椎手術而言,患者通常需要於術後一段時間後進行矯正手術,更換磨損之植入物或者將偏離位置的植入物歸位。智慧型植入物能監測植入物之位移與磨損程度,使醫護人員能盡早提醒患者調整姿態或行為,延緩需再次進行手術的時間。
(3) 疾病預防:預測病況發展,使醫護人員能盡早提供干預,如監測大腦化學物質預測癲癇發作的機率。
(4) 緊急通報:當復原情形不符合預期或者病況惡化(如受感染)時,能主動通知相關醫護人員。
(5) 設計優化:提升研發人員對身體組織、肌肉與生理變化的認識,優化未來的其它植入物設計等。

然而,智慧植入物迄今仍有許多挑戰待克服,例如:智慧植入物易誘發免疫系統,造成周圍組織發炎與纖維化,進而影響到感測功能的準確性。另外,智慧植入物易受到磁場干擾,嚴重時可能會造成損壞,且X光等放射線亦有損壞電子設備之風險,因此,對需要進行MRI檢查或放射線治療之患者來說會有諸多不便以及限制。

 

三、監測型智慧植入物常見之感測器類型與用途

監測型智慧植入物環境檢測與偵測功能之實現多仰賴於與之整合的感測器類型。以下介紹樹種常見的感測器,以及其功用:

(1) 負載感測器(Load Sensors):能偵測植入物的負載變化,藉此判斷骨骼生長與復原情形,或者用以監測眼壓、肺動脈壓等壓力變化。
(2) 機械聲感測器(Mechanoacoustic Sensors):能與可發出振盪器(oscillator)互相搭配,可發出機械聲之裝置(如偵測與分析發出機械聲,藉此判斷關節植入物是否有鬆動現象。
(3) 電化學感測器:可分析周遭環境酸鹼度及特定代謝物濃度,可應用於慢性病患者生理狀態監測。
(4) 慣性感測器(Inertial Sensors):可應用於步態相關參數偵測,如步幅、步數、步行速度、佩戴者的運動範圍和行走距離等。
(5) 溫度感測器:可監控植入部位的溫度變化。例如監控運動過程中關節的溫度變化;或監控組織是否有發熱現象,以判斷患部是否有感染與發炎的狀況。

 

四、研發趨勢

(一) 可變形智慧植入物
可變形智慧植入物能夠在植入後,依照需求於體內改變形狀,以矯正關節受力不平衡等狀況。可透過微型馬達或多晶體金屬等能形變之材料實現。

(二) 微型人工智慧(Tiny AI)
微型人工智慧技術能夠大幅降低AI運算所需的能源與資源的消耗,可使功耗低的智慧植入物實現AI運算,例如僅需消耗微量的電量即能分析感測器的數據,並向外部設備分享分析後的見解,或者立即將患者重要資訊進行去識別化,從而強化資料隱私。

(三) 超低功耗(ultra-low-power)無線通訊
智慧植入物預計將採用獨特的超低功耗(ultra-low-power)無線通訊技術,如採用表面聲波共振器(surface acoustic wave radiofrequency resonators)等,以改進的無線通訊效能,使資訊傳輸之功耗大幅降低。

(四) 自供電(Self-powered)植入物
利用摩擦生電、生物燃料電池等能量採集技術,將患者體內的化學物質(如葡萄糖)或者生成的能量,轉換成電力,以為智慧植入物供電,從而使患者無需進行額外的手術來更換智慧植入物的電池。

 

五、創新案例介紹

(一) 具有負載感測器的智慧型人工膝關節
開發商:美國Stryker
進行人工膝關節置換手術時,若人工膝關節植入位置不當以及軟骨受力不均衡,術後易產生膝關節疼痛、僵硬、活動範圍受限等症狀,甚至會導致人工膝關節過早失效。Stryker開發之產品智慧人工膝關節- VeraSense 具備負載感測器,能在進行膝蓋關節置換手術中,測量膝關節的負載與平衡,幫助醫師將人工膝關節放置於最合適的位置。經研究證實,VeraSense能減少人工膝關節置換手術的後遺症(產生後遺症的比例減少67%),並且能降低術後復健的次數與成本(數百美元)。

(二) 具備監控癲癇發作能力之智慧解決方案
開發商:澳洲Epiminder
Epiminder開發出能全天候監控癲癇發作之智慧解決方案- Minder。此產品包含著植入式的電化學感測器,以及能掛於耳殼上的穿戴式裝置。電化學感測器會透過手術置於頭皮與頭蓋骨間,以偵測大腦中的電位變化,並且透過無線傳輸將數據傳輸到外部的穿戴式裝置上。穿戴式裝置會將接收到的數據進行處理,並透過藍芽傳輸到與Minder搭配的手機應用程式。另外,Minder能分析癲癇發作的頻率與週期,並且預測癲癇的發作,使患者能更為妥善地管理病情,同時協助醫師調整用藥與服藥時機。

(三) 能偵測患者步態的智慧型人工膝關節
開發商:美國Zimmer Biomet
Zimmer Biomet推出世界首款智慧型人工膝關節-Persona IQ,能偵測膝蓋活動度(ROM)、步數、平均步行速度、移動距離等步態指標,幫助醫師判斷患者的復原程度,提升復健的成效。

(四) 可偵測腦內化學物質的智慧植入物
研發單位:美國賓州州立大學(Pennsylvania State University)
美國賓州州立大學研究團隊近期開發出結合電化學感測器與溫度感測器的多功能智慧植入物,能偵測腦內多巴胺的含量、酸鹼值和溫度變化。同時,此植入物可於生物體內降解,無需再次進行手術將其移除。目前研究團隊已於試驗動物上,初步驗證此植入物的可行性,未來期望能用以監測帕金森氏症和阿茲海默症等神經系統疾病患者之病況。

 

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