噴墨打印技術(shù)在疾病診斷上的應(yīng)用

2021-04-21 09:09 睿度光電RUIDU
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使用MicroFab的Inkjet噴墨打印技術(shù)可以研制一種定量測定嗅覺閾值的儀器。這種數(shù)字嗅覺計具有精確的控制和檢測能力，可以通過嗅覺閾值的測定作為神經(jīng)退行性疾?。ㄈ纾喊柶澓ＤY、帕金森病等）的早期篩查工具。




使用MicroFab的Inkjet噴墨打印技術(shù)可以研制一種定量測定嗅覺閾值 的儀器。施加在壓電元件上的電脈沖產(chǎn)生變形，這種變形傳遞到流體中，導(dǎo)致液滴通過安裝在壓電管一端的孔射出。一個電子控制臺驅(qū)動壓電驅(qū)動元件和控制滴數(shù)，被分發(fā)和蒸發(fā)，以創(chuàng)建一個香味云。產(chǎn)生、蒸發(fā)和呈現(xiàn)到患者鼻子檢測的液滴數(shù)量根據(jù)預(yù)設(shè)算法進(jìn)行調(diào)整，直到患者的閾值被發(fā)現(xiàn)。神經(jīng)退行性疾病患者使用研制的嗅覺計測試顯示，與正常對照組相比，他們的嗅覺閾值顯著升高。這一結(jié)果與文獻(xiàn)研究表明嗅覺是神經(jīng)退行性疾病的**個影響因素一致。本文所述的數(shù)字嗅覺計具有精確的控制和檢測能力，可以通過嗅覺閾值的測定作為神經(jīng)退行性疾病的早期篩查工具。

每年照顧阿爾茨海默癥患者的費(fèi)用取決于疾病的嚴(yán)重程度，照顧阿爾茨海默氏癥患者的直接和間接費(fèi)用估計總計為1000億美元/年。這種疾病的費(fèi)用和對照顧者及家庭的影響使早期發(fā)現(xiàn)和診斷神經(jīng)再生疾病，特別是阿爾茨海默癥成為高度優(yōu)先事項。早期診斷之后采取干預(yù)措施，可以延遲疾病的發(fā)作或減緩其進(jìn)展，這將大大有助于護(hù)理人員并降低護(hù)理費(fèi)用。為了提高識別神經(jīng)退行性變初始癥狀的能力，已經(jīng)對幾個領(lǐng)域進(jìn)行了探索。這些測試是基于對阿爾茨海默癥或其他神經(jīng)退行性疾病患者大腦中發(fā)生的認(rèn)知變化的檢測和量化。例子包括神經(jīng)心理學(xué)診斷測試，測量延遲回憶，語言流暢性和整體認(rèn)知狀態(tài)。

將老年癡呆癥患者和一群年齡匹配的成年人進(jìn)行比較，如果體積分析措施的大腦的中央顳區(qū)參加嗅覺信息的處理與表現(xiàn)在嗅覺測試包括氣味識別和嗅覺閾值。研究人員發(fā)現(xiàn)，嗅覺和海馬體積之間存在*強(qiáng)的相關(guān)性，并指出氣味識別測試在檢測阿爾茨海默病方面的潛在臨床應(yīng)用價值。進(jìn)一步的研究表明，在阿爾茨海默病的初始階段，顳葉內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)是嗅覺識別的關(guān)鍵。隨著病情的發(fā)展，患者識別和檢測氣味的能力以及對這種缺陷的認(rèn)識能力進(jìn)一步出現(xiàn)缺陷。為了將嗅覺作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷工具，人們花費(fèi)了大量的精力來建立嗅覺與其他測試方法以及嗅覺與神經(jīng)退行性疾病的其他癥狀之間的相關(guān)性。

一種能夠量化患者嗅覺能力的方法不僅有助于阿爾茨海默癥或帕金森病等神經(jīng)退行性疾病的早期診斷，而且也將提供追蹤疾病進(jìn)展的手段。然而，根據(jù)嗅覺閾值對患者進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的評估仍然是一個挑戰(zhàn)。由于以可控的方式給病人施用特定濃度和多種氣味劑的復(fù)雜性，疾病進(jìn)展作為臨床工具一直存在問題。這種復(fù)雜性往往意味著要依賴復(fù)雜而昂貴的研究嗅覺儀。相反，刮擦和嗅探測試，雖然成本效益和廣泛使用，但既不是其測試方式的多樣化，也不是其氣味成分的年復(fù)一年的一致性。賓夕法尼亞大學(xué)的嗅覺鑒定測試（UPSIT）是用于判斷嗅覺缺陷的最廣泛的刮擦-嗅測試。這個測試使用隔離在微囊晶體中的氣味劑，當(dāng)被劃傷時釋放氣味劑。在測試過程中，病人要從四個選項中選擇一種氣味。雖然從晶體中釋放的氣味的精確量在抓痕中還沒有被確定，但該測試已被證明在識別和鑒別一些神經(jīng)退行性疾病的嗅覺識別缺陷方面是成功的。但是，這種刮擦和嗅探測試不支持對嗅覺閾值的量化。其他側(cè)重于定量的測試系統(tǒng)要么**復(fù)雜，要么需要人工處理不同濃度的溶液。本文所述的嗅覺計技術(shù)是基于數(shù)字控制、高精度噴墨打印技術(shù)，能夠確定嗅覺閾值。特定氣味劑的閾值取決于**高的分辨率，因為噴墨式微型噴霧器能夠在每一滴噴射出的氣味中輸送納摩爾數(shù)量的氣味劑，該系統(tǒng)可以通過使用可互換的墨盒分發(fā)許多氣味劑，通過使用試驗中使用的氣味劑的稀釋劑，可以延長解析度，超過單滴分配。

數(shù)字嗅覺計（圖1）由四個壓電噴墨微分配器模塊組成，每個模塊用于不同的氣味劑或氣味稀釋劑，以“V”形配置放置在加熱元件的兩側(cè)（圖2）。每個微型分配器模塊由壓電分配器和儲液器以及用于驅(qū)動信號的電氣連接組成。嗅覺計電連接到控制單元，該控制單元選擇分配器和要分配的相應(yīng)氣味滴數(shù)。滴劑被分配到加熱元件上，氣味氣霧云被一個微型風(fēng)扇送到病人的鼻子上。下面將討論系統(tǒng)的主要部分（圖2）。

▲ 圖1 使用噴墨微型噴霧器的嗅覺器及其電子控制臺。

▲ 圖2 噴墨式氣霧發(fā)生器組件示意圖。所述分配模塊以V形配置放置，使氣味滴落在集中放置的加熱器上。另一對微型分配器模塊位于草圖中顯示的模塊后面，總共有四個模塊。

▲ 圖3 微噴模塊示意圖。儲液器由小型特氟龍毛細(xì)管制成，并從頂部裝入氣味劑。電觸點(diǎn)插入嗅覺儀的匹配連接器，提供來自控制臺和機(jī)械支持的電子信號。

觸發(fā)器由壓電元件構(gòu)成，該壓電元件的一端焊接有電鑄孔板（孔板直徑45μm），該孔板面向加熱元件。另一端連接供電池。不銹鋼套管與壓電管結(jié)合，C-flex管插入套管，與作為儲層的毛細(xì)管聚四氟乙烯管進(jìn)行密封。為了避免流體通過孔板滴下，儲層由特氟龍的毛細(xì)管組成。毛細(xì)力和管道盤繞的高度都*低，可以防止流體通過孔口滴下，并減少孔口水平上的壓力變化（圖2和3）。管的長度對應(yīng)的體積約為28μL。毛細(xì)管末端的一個端口用于補(bǔ)充模塊。

所述分發(fā)器執(zhí)行器為徑向極化方向的環(huán)形PZT5A壓電元件。壓電管的尺寸為d1= 0.070（1.78 mm）， d2= 0.050（1.27 mm）和l = 0.6（15.24 mm）(圖4）。驅(qū)動電極分別沉積在內(nèi)外表面。內(nèi)電極纏繞在管子的末端，在管子的外表面，這樣更容易通電連接。金屬（鎳）鍍層從管的一端的前端和外部表面的一部分被移除，以分離兩個電極。電線被焊接到去除電鍍的帶子旁邊的電極上，在另一端，焊接到插入嗅覺器的插銷上。

液滴產(chǎn)生遵循按需滴液（DOD）壓電噴墨打印機(jī)的原理。圖5展示了drop formation序列中的主要步驟。當(dāng)內(nèi)電極接地時，驅(qū)動電信號由梯形波形（“上升”，“停留”-恒定電壓，“下降”到初始電壓）組成，并應(yīng)用于外電極。在“上升”期間，壓電管的內(nèi)表面向外移動，產(chǎn)生一個負(fù)壓波，并開始向供應(yīng)管和孔板兩端移動。當(dāng)負(fù)壓波到達(dá)孔板時，半月板（liquid air interface）抽出到噴霧器噴嘴中（圖5，第二張照片）。在供應(yīng)端，負(fù)波作為正壓力波反射回來?！巴Ａ簟敝芷?span style="color:#888888;font-size:15px;text-align:left;">（在**/恒定電壓下的時間）被選擇，當(dāng)反射的正壓力波到達(dá)管的中間時，驅(qū)動信號的“下降”開始。電壓“下降”周期對應(yīng)于流體的壓縮（管壁的內(nèi)部運(yùn)動），因此加強(qiáng)了反射波，使所需電壓在恒定下降速度下**化，或在相同的施加電壓下下降速度**化。當(dāng)正壓力波到達(dá)理論上，它將開始噴射形成液滴的流體（圖5，第三張照片）。

▲ 圖4 噴頭結(jié)構(gòu)圖

▲ 圖5 在液滴形成過程中不同實(shí)例的液滴排出序列。該事件是頻閃照明與液滴產(chǎn)生同步，通過改變施加在壓電驅(qū)動器上的信號和頻閃延遲之間的延遲，液滴在噴射序列的特定狀態(tài)下被“凍結(jié)”。

研究的目的是檢驗原型數(shù)字嗅覺計在一項測試中的可操作性，比較一組對照組患者的嗅覺閾值與神經(jīng)退行性疾病患者的嗅覺閾值。據(jù)我們所知，這是**個通過使用噴墨噴霧器來精確測量嗅覺閾值的研究。嗅覺計能夠檢測出對照組和診斷為神經(jīng)退行性疾病的患者之間的差異。神經(jīng)退行性疾病患者的嗅覺閾值的低端與老年對照組患者的嗅覺閾值的高端重疊。在研究過程中還檢測到了其他嗅覺閾值趨勢。與男性對照組相比，女性對照組對兩種氣味的嗅覺閾值都要低一些，盡管這種差異*小。結(jié)果還表明，“玫瑰”和“檸檬”的閾值隨著年齡的增長而增加。在對照組。男性和女性嗅覺閾值的變化似乎始于人生的第5個十年左右。還需要更多的實(shí)驗來更好地建立嗅覺閾值的增加與神經(jīng)退行性疾病之間的相關(guān)性。嗅覺閾值具有精確量化閾值的能力，可以隨著病情的發(fā)展跟蹤嗅覺閾值的變化。數(shù)字嗅覺儀需要改進(jìn)，使測量更容易、更精確。問題是病人吸入和滴液產(chǎn)生之間的同步。過早吸入可能導(dǎo)致錯誤的“失誤”。改進(jìn)版本的嗅覺儀器應(yīng)該包含吸入和液滴產(chǎn)生之間的相關(guān)性，測試和數(shù)據(jù)采集的自動化。

資料來源：美國MicroFab公司


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