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基于光学多干涉原理的眼压传感器灵敏度与检测稳定性优化设计

申报人:姜尚璇 申报日期:2024-11-03

基本情况

2025年度大学生创新创业训练计划
基于光学多干涉原理的眼压传感器灵敏度与检测稳定性优化设计 学生选题
创新训练项目
工学
机械类
教师科研项目选题
一年半期
课题组前期开发了基于光学多干涉原理的可植入眼压微传感器,与青光眼引流管嵌套使用,实现房水引流与眼压检测功能。然而,现有传感器结构仍存在灵敏度欠佳、结构稳定性不足导致易被生理波动干扰等问题。本项目拟基于课题组前期基础,设计灵敏度提升、结构稳定性及抗干扰性更强的眼压传感器结构,提升眼压检测准确性。
高中时期,作为课题第一作者,自主设计创造课题“一种可移动式自动清理、消杀餐桌装置设计”。
国家及省部级项目:
[1]   葡萄糖响应性单分散核壳结构微球用于可调控胰岛素递送的研究,国家自然科学基金青年基金项目 (项目负责人,已结题)
[2] 3D打印包埋载体的药物支架用于持续性胰岛素自调节递送, 中央高校基本科研业务费探索研究专项 (项目负责人,已结题)


企业横向项目:
[1] 基于光固化微纳打印的微创植/介入传感器及微纳机器人开发,明澈生物科技有限公司,200万(项目负责人,在研)
[2] 多尺度血管网络特异性组织的设计及构建,转化医学国家科学中心(上海),40万(项目负责人,在研)

技术转让项目:
[1] 基于光学法布里-珀罗干涉的压力导丝设计开发
[2] 基于磁控微纳机器人技术的血管介入颠覆性技术
[3] 连续血糖监测传感器系统开发

人才项目及获奖:
2024年“海聚英才”全球总决赛优胜奖
2023年   机械工程创新创意大赛微纳传感技术与智能应用赛全国三等奖
2023年   机械工程创新创意大赛微纳传感技术与智能应用赛华东区一等奖
2020年“雉水英才”
提供实验室资源、研究生技术支持,定期辅导(2周一次),提供必要的资金支持。
市级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
姜尚璇 机械与动力工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 结构设计、仿真测试、实验模拟
袁子淇 机械与动力工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 结构设计、数据处理、实验模拟
颉阳 机械与动力工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 结构设计、仿真测试、实验模拟
聂晨蕾 机械与动力工程学院 智能制造工程 2023 结构设计、仿真测试、实验模拟

指导教师

序号 教师姓名 教师账号 所属学院 是否企业导师 教师类型
殷瑞雪 08191 机械与动力工程学院

立项依据

本项目拟基于课题组前期基础,针对现有问题,设计灵敏度更高、结构稳定性及抗干扰性更强的眼压微传感器结构,旨在提升眼压检测准确性,得到实时、精确的眼压数据,帮助医生全面了解患者的眼压波动情况,确定个性化治疗方案。

1、眼压微传感器结构设计:基于法布里-珀罗干涉仪结构,自主研究设计具有强稳定性的眼压微传感器结构;运用软件进行三维建模与仿真,确保传感器长期监测的可靠性。

2、抗干扰性研究与数据处理:探究眼内环境中可能存在的干扰因素,如温度变化、眼内液体流动、眼球运动等;建立实验环境,采集数据,定量分析各干扰因素对传感器灵敏度的影响;基于快速傅立叶变换(FFT)、带通滤波、频域分析等原理方法,设计滤波器和信号处理算法,以减小生物扰动对眼压微传感器的影响,通过软件优化提高传感器的检测稳定性。

3、集成与测试:通过双光子3D打印技术制造结构优化的眼压微传感器,将传感器与微引流支架嵌套;使用离体猪眼进行模拟实验,收集处理实验数据,评估改善后眼压微传感器的灵敏性与稳定性。

眼压微传感器作为眼科医疗领域中用于测量眼内压力的关键设备,近年来在全球范围内得到了广泛的研究和发展。

眼压计技术不断进步,从传统的Goldmann压平眼压计到非接触式眼压计(NCT),再到更先进的手持式眼压计,测量的准确性和患者的舒适度得到了显著提升。现代眼压计设计更加人性化,操作简便,能够快速提供眼压读数,同时减少了交叉感染的风险。

中国科学院裴为华教授团队采用MEMS工艺在铂(Pt)应变片加工实现了可穿戴式隐形眼镜眼压传感器,该传感器具有优异的系统性能,有望在眼压的连续监测中发挥重要作用。眼科可穿戴和植入式眼压生物传感器的研究进展显示,这些技术创新与临床实践交织在一起,强调了它们的实际应用、以患者为中心的策略以及眼压控制的未来发展前景;英国和土耳其的学者合作研发了一种配备微传感器的隐形眼镜,能够检测眼压变化,提示可能存在青光眼。智能隐形眼镜的研究进展显示,柔性隐形眼镜实现眼压的24小时连续监测,通过将感应电路嵌入柔性隐形眼镜,从而测量由眼压波动引起的角膜曲率半径的变化达到监测眼压的目的。

可穿戴和植入式眼压生物传感器的最新进展和未来前景表明,连续眼压监测被认为是一种有效的措施,它可以提供眼压变化的全面视图,这是临床眼压计“快照”测量无法达到的。

理想的眼压传感器应满足安全性、生物相容性、透明度、准确性、可重复性、角膜曲率和厚度的独立性、患者易于自我测量的要求。目前大多数研究者完成传感器的设计和制备,并基于模型眼球、离体动物眼球或活体动物眼球进行眼压实验测试,而几乎没有直接进行人眼实验。

国内外眼压微传感器的研究正朝着更精确、更便捷、更智能化的方向发展,同时也面临着安全性、生物相容性等挑战。随着技术的进步和市场的扩大,预计未来将有更多的创新产品投入到临床应用中。


本项目基于光学谐振原理与双光子微纳打印技术,设计制造可与微引流支架嵌套的眼压传感器,可微创植入眼内,提高眼压检测便利性与准确性,有望实现青光眼诊疗一体化,提高青光眼患者生活质量。

技术路线:

1.眼压微传感器结构设计:基于法布里-珀罗干涉仪结构,设计具有强稳定性的眼压微传感器结构,并运用软件进行三维建模与仿真。

2.抗干扰性研究与数据处理:探究眼内环境中可能存在的干扰因素,如温度变化、眼内液体流动、眼球运动等,并设计滤波器和信号处理算法以减小生物扰动对眼压微传感器的影响。

3.集成与测试:通过双光子3D打印技术制造结构优化的眼压微传感器,并将传感器与微引流支架嵌套;使用离体猪眼进行模拟实验,收集处理实验数据,评估改善后眼压微传感器的灵敏性与稳定性。

拟解决问题:

1.现有MIGS微引流器械的设计问题:尺寸微小、工艺复杂导致的引流效率不足和过低眼压风险。

2.现有眼压检测的局限性:临床上依靠眼压计多次测量完成的眼压检测具有间断性,无法准确、及时地反映眼压变化情况。

3.眼压微传感器的测量灵敏度和结构稳定性问题:受微腔膜片结构限制以及温度变化对微腔产生的串扰效应影响,测量灵敏度欠佳;人体眼球组织受力情况复杂,眼内植入器械易受生物扰动而产生位移,光学微腔的结构稳定性不足。

预期成果:

1.高灵敏度、高稳定性的眼压微传感器:制造出能够微创植入眼内的眼压微传感器,提高眼压检测的便利性与准确性。

2.技术发明专利:申请相关技术发明专利,保护知识产权。

3.学术论文与报告:将项目研究成果以学术论文、报告等形式发表在相关刊物上。

4.参加创新类比赛:通过参加比赛展示项目成果,提升项目的知名度和影响力。

5.临床应用前景评估:与医疗机构合作,进行临床应用前景评估,以提高青光眼患者的眼压监测准确性和治疗质量。


2025.1-2025.4

收集相关领域的最新研究资料,分析现有技术的优缺点;设计初步的眼压微传感器结构方案,用AutoCAD或SolidWorks进行建模,并用COMSOL或ANSYS仿真分析。

2025.4-2025.8

根据前期的结构设计进行双光子三维打印,将成型的眼压微传感器与微引流支架集成;用离体猪眼进行模拟实验,验证眼压微传感器的生物相容性和长期稳定性;根据实验结果,调整设计参数以优化灵敏度和稳定性,并撰写中期实验报告。

2025.8-2025.10

对产品的缺陷进行进一步的完善,整理项目成果,撰写研究论文及总结报告并申请专利。若进展顺利,可参加各种学术竞赛。

课题组前期开发了基于光学多干涉原理和法布里-珀罗腔结构的可植入式眼压微传感器,与青光眼引流管嵌套使用,搭建了配套的非接触式光学探测解调系统,对狭小区域内的液体压强进行持续监测,具备房水引流与眼压检测双重功能。目前该项目已获得了相关专利,包括一种用于植入青光眼患者眼内的房水引流器和一种眼压传感器。

已具备的条件:

1.  理论基础与设计思路:现有研究提供了微引流支架和眼压传感器的设计原理和仿真实验结果,为本项目提供了理论基础和设计参考;

2.  实验材料:现有研究中的多种实验材料,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、环氧甲基丙烯酸酯(BisGMA)、乙氧基双酚A二甲基丙烯酸酯(SR348OP)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEG600MA)等,可用于本项目制造微引流支架和眼压传感器;

3.  实验设备:现有研究中的一系列实验设备,包括超声清洗机、电子天平、等氧离子清洗机、恒温鼓风干燥箱、冷冻干燥机、3D打印机、旋叶式真空泵、紫外灯、多功能油水浴锅、倒置荧光显微镜、COMS显微镜、洁净工作台、拉伸测试机等,为本课题的实验提供了必要的硬件支持;

4.  测试方法:现有研究中包含了对微引流支架和眼压传感器的表征方法,如体外导通及稳定性测试、降解稳定性测试、细胞毒性测试、皮下埋植实验等,为本课题提供了测试方法。


无尚缺少的条件。


经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 8000.00 1000.00 7000.00
1. 业务费 4500.00 1000.00 3500.00
(1)计算、分析、测试费 3000.00 有关设备采购及打印组装与测试 1000.00 2000.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 0.00 0.00 0.00
(4)文献检索费 0.00 0.00 0.00
(5)论文出版费 1500.00 发表论文与专利 0.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 1500.00 传感器系统搭建 0.00 1500.00
3. 实验装置试制费 0.00 0.00 0.00
4. 材料费 2000.00 实验耗材购置 0.00 2000.00

项目附件

  • 基于光学多干涉原理的眼压传感器灵敏度与检测稳定性优化设计.doc
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结束