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在医疗领域，静脉输液（IV）中未检测到的气泡会引发空气栓塞，威胁患者安全。传统检测方法存在缺陷，研究人员开发了基于超材料（MTM）的传感器用于 IV 通道气泡实时监测。该传感器灵敏度达 78% ，能有效检测气泡，为保障患者安全提供了新工具。
在医疗场景中，静脉输液是常见且重要的治疗手段。想象一下，透明的输液管中，液体正缓缓流入患者体内，看似平静的输液过程，却隐藏着巨大的风险 —— 未被察觉的空气气泡。这些气泡一旦随着液体进入人体，就可能引发空气栓塞，导致诸如呼吸困难、胸痛，甚至是休克、死亡等严重后果。目前用于检测输液中气泡的传统光学和超声方法，就像有漏洞的 “盾牌”。光学方法依赖于检测气泡引起的透明度变化，超声方法则依靠声学信号识别密度改变，但它们都存在复杂的设备搭建过程，容易受到环境干扰，而且使用成本高昂，难以融入现有的医疗设备中。在这样的背景下，来自马来西亚国民大学（Universiti Kebangsaan Malaysia）、沙特阿拉伯海尔大学（University of Ha’il）、埃及阿斯旺大学（Aswan University）等多个机构的研究人员开展了一项重要研究，致力于开发一种新型超材料传感器，相关成果发表在《Scientific Reports》上。这一研究成果意义非凡，为预防空气栓塞、保障患者安全提供了有力的技术支持，也推动了超材料技术在生物医学领域的发展。
研究人员运用了多种关键技术方法。在传感器设计方面，利用传输线原理，构建基于单负耦合分裂方环谐振器（CSSR）的超材料结构，并结合聚合物基微流控通道（PMC）。通过仿真软件对传感器进行模拟分析，优化设计参数。实验过程中，使用矢量网络分析仪（VNA）测量传输系数（S21），以此监测传感器的谐振响应。
下面来看具体的研究结果：
- MTM 传感器设计：超材料的电磁响应由磁导率和介电常数决定。该传感器基于传输线原理，选用 1.67mm 厚、介电常数为 4.3、损耗角正切为 0.025 的 FR - 4 材料作为基板，铜制作传输线和 MTM，整体尺寸 40mm×10mm，单元尺寸 6.6mm×9.20mm。通过不断优化设计，从最初的单铜传输线，到引入开槽传输线，再到添加超材料结构，最终形成耦合谐振器设计，使传感器出现理想的谐振频率和峰值。
- 等效电路模型：CSSR 的谐振频率取决于其结构参数，这些参数影响谐振器的电容和电感。等效电路模型有助于理解传感器的工作原理，其 Q 因子为 75.5，半功率带宽（HPBW）为 0.084GHz。
- CSSR 谐振器基 MTM 的特性分析：研究发现，该超材料在 7GHz 附近磁导率实部为负，属于单负超材料，这一特性使其具备强大的超材料特性，能够实现对测试介质中介电变化的高灵敏度和精确检测。
- 传感应用：对最终设计的传感器进行仿真和测量评估。仿真中出现 4.94GHz 和 6.62GHz 两个谐振频带，测量时由于制造公差、材料缺陷或环境因素，频率发生偏移，分别变为 5.02GHz 和 6.95GHz。在检测液体介质时，利用传感器电容区域电场集中的特点，当介电材料靠近，电场与样品相互作用改变电容，引起谐振频率偏移，通过监测频率偏移来检测介电特性变化。
- 监测 IV 通道中的气泡：实验搭建模拟生理盐水流动系统，将传感器连接矢量网络分析仪，使用微流控通道引导液体流过传感器。实验结果显示，无气泡时，高介电常数的液体抑制传感器谐振；有气泡时，传感器在特定频率谐振。例如，当气泡覆盖传感器敏感区域，出现 6.975GHz 的频率峰值；当管道只有空气时，谐振频率稳定在此值；有生理盐水时，峰值频率移至 6.6GHz。通过计算，该传感器灵敏度高达 78% ，且气泡大小对谐振频率和灵敏度影响显著。与其他现有设计相比，该传感器在尺寸、成本和灵敏度方面表现更优。
综上所述，研究人员成功设计并验证了一种基于超材料的传感器，用于实时监测 IV 通道中的空气气泡。该传感器利用 CSSR 与开槽传输线耦合，并结合微流控通道，通过监测超材料谐振频率的偏移，能够高精度地检测气泡。实验中，气泡通过谐振器电容区域时，谐振频率在 5GHz - 7GHz 之间变化，证明了传感器对生理盐水管道中介电变化的敏感性。该传感器灵敏度高，能检测微小气泡，为预防静脉输液过程中的空气栓塞提供了有效手段，推动了超材料技术在生物医学工程中的应用，为提升医疗监测水平和保障患者安全开辟了新方向。
