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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

传感器小型化通过提供原位过程反馈来实现微创医疗程序或患者监测等应用。理想情况下，微型传感器应该是无线的、价格低廉的，并允许通过负担得起的检测系统进行足够距离的远程检测。

有鉴于此，德国飞利浦研究中心Jürgen Rahmer等人从理论上分析了无线传感器的信号强度，并推导出体积小于 1mm³的高信号谐振磁机械传感器的简单设计。作为示例，作者演示了在未屏蔽环境中实时跟踪飞蜂的位置和姿态、活检针的导航、自由流动标记的跟踪以及压力和温度的感测。实现的传感器尺寸、测量精度和约25cm的工作空间显示了用于医疗和非医疗应用的低成本无线跟踪和传感平台的潜力。

本文要点：

（1）MMR系统设计概述

作者设计了一个技术平台，通过将现有技术与尺寸约为1 mm的微型传感器相结合实现了小型低成本的无线传感器。该平台可用于许多应用，例如手术设备和导管的导航、家庭血压监测、无辐射胃排空研究、控制口服药物依从性监测昆虫行为等。作者展示了磁机械谐振器(MMR)的基本概念图及MMR检测系统的原理。由于磁化矢量的平面振荡产生两个正交信号分量，因此可以使用已知的线圈空间灵敏度分布重建位置和完整方向信息，即6个自由度(DoF)。

图MMR系统组成和信号响应

（2）蜜蜂追踪实验

为了突出小标记足迹，一只配备有MMR（~1.5毫克）的蜜蜂在距离线圈阵列200毫米的距离内行走和飞行时被实时跟踪。原始测量速率约为40 Hz，每次测量都会提供蜜蜂的瞬时位置（x、y、z）和姿态（俯仰、偏航、滚动），即6-DoF信息。根据跟踪数据和摄像机视图，飞蜂的速度高达每秒 600 毫米。

图 蜜蜂追踪实验

（3）医疗导航实验

为了演示医疗导航，MMR集成在插入弯曲活检针中的探针中。由于2.2 kHz 的低共振频率，针的钛合金只会微弱地衰减 MMR 信号。因此，在明胶模型的体积上进行精确的针尖跟踪是可能的。6-DoF信息使针能够准确导航到目标，导航可以完全基于医学成像系统提供的“路线图”。为了模拟在胃肠道通道期间对可摄入标记物的跟踪，在流过缠绕管模型时定位了一个不受限制的MMR、

图 弯针导航实验

（4）传感实验

为了演示传感，密封的 MMR 压力传感器会受到压力变化的影响。传感器的灵敏度和测量范围可以通过外壳的刚度进行调整。该传感器使用两个振荡球体来降低对静磁场背景场的敏感度，显示了从测量信号中提取的共振频率，同时使用注射器手动施加压力变化。传感器的灵敏度为0.34 Hz/mbar，结果表明针导航实验的跟踪标记也可用于测量温度。

图 压力传感器设计、演示器和测得的压力变化

（5）比例定律

实验展示了使用毫米大小的设备进行MMR跟踪和感测。为了与现有技术进行比较，将 MMR 的信号与传统的无源射频电路进行了比较。研究结果表明相应技术可以提供的信号和大小组合。根据缩放定律，MMR的工作区域扩展到更小的器件尺寸。与现有的 LC 谐振器技术相比，MMR技术使无线标记和传感器的线性尺寸缩小约1个数量级。小型化是由高MMR信号实现的。MMR设计还克服了磁性微机电系统在无线驱动和传感应用中遇到的限制。MMR的简单性可以实现简单的制造和低成本。这些优势与MMR的小尺寸及其约25厘米的无线检测距离相结合可以改进或实现广泛的应用。 

图用于标记和传感器应用的MMR和LC型谐振器之间的信号缩放比较

参考文献：

BERNHARD GLEICH, et al. Miniature magneto-mechanical resonators for wireless tracking and sensing. Science, 2023, 380(6648): 966-971

DOI: 10.1126/science.adf5451

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5451