心脏起搏治疗革命性新技术登上Science
一、 【导读】
心脏手术后的5-7天会出现心跳过缓，需要住院进行心脏起搏治疗。术后患者的临时心脏起搏需要植入拥有经皮导线、外部有线电源和控制系统的仪器。这些硬件带来了感染风险、患者移动受限并且需要手术取出。可吸收的起搏器减轻了部分上述问题，但是需要与外部有线系统配对，以及额外的控制机制。
二、【成果掠影】
美国西北大学Yeon Sik Choi和Hyoyoung Jeong等研究人员提出了一种包含时间同步的无线网络皮肤集成仪器和可吸收起搏器的瞬时闭环控制系统，用于控制心率，跟踪心肺状态，提供多触觉反馈。短暂的手术可最大限度减轻患者负担。在老鼠、犬和人类心脏实验的结果证明了这个系统具有自动控制、频率自适应的心脏起搏等一系列能力。这项工作建立了通过无线网络、植入可吸收仪器的闭环控制临时电疗法的工程框架。
该闭环控制系统包含七个关键部件：(i) 临时、可吸收以及可拉伸的心外膜起搏器；(ii) 可生物吸收的类固醇洗脱界面（激素电极），最大程度减轻炎症和纤维化；(iii) 皮下可生物吸收的能源接收单元；(iv) 一套柔软的皮肤表面传感器，用于患者生理机能监测时捕捉心电图(ECGs)、心率(HR)、呼吸信息、体能信息和电脑血液动力学；(v) 将能量传输给能源接收单元无线高频模块；(vi) 通过机械振动进行联系的柔软的皮肤表面触觉致动器；(vii) 用于实时可视化、储存和分析数据的手持自适应控制装置。
相关研究成果以“A transient, closed-loop network of wireless, body-integrated devices for autonomous electrotherapy”为题发表在Science上。
三、【数据概览】
图1 临时心脏起搏器的瞬时闭环控制系统：(A) (i)自动无线起搏电疗控制系统示意图， (ii) 不住院人工流产控制系统示意图；(B) “持续监测、自动治疗和触觉反馈” 闭环控制系统作用图；(C) 各种模块的尺寸；(D) 某种可生物吸收模块在模拟的生物流体(95 ℃)的磷酸盐缓冲剂）中浸泡不同时间后的照片 ©2022 AAAS
图2 材料、设计特征：(A) 某种可吸收模块的示意图；(B) 不同直径磁场接收器线圈的能量获取散射参数；(C) 将交流电通过磁感应转化为直流电的示例（整流器）；(D) 输入电压（8Vpp）和频率（13.56 MHZ）不变时，仪器的输出开路电压与拉伸应变和扭转角度的关系；(E) 含不同聚合物的激素电极释放消炎药物的作用，误差棒代表基准偏离值；(F) 浸入37℃ PBS中的可吸收模块（红色方框代表10μm厚的Mo）和对比模块（黑色圆圈，700μm的W表面沉积50μm的Mg）的输出开路电压测试值；(G) 皮肤表面心脏模块示意图，PMIC ( Power management integrated circuit, 电源管理芯片)；(H) 心脏模块的系统原理图；(I-L) 皮肤表面模块获得的ECG,HR,呼吸速率和SpO2水平和参考仪器的对比 ©2022 AAAS
图3 临时心跳过缓的治疗：(A,B) 采用瞬时闭环控制系统的离体人体心脏示意图(A)及实物图(B)；(C) 光学测绘的人体心脏外膜动作电位云图；(D) 闭环迟滞跳动激活起搏器自动发现短时心跳过缓流程图；(E) 人体心脏程序控制的HR和测试的ECG；设定的参数为：最低速率为54 bpm，起搏时间10 s，起搏速率100 bpm ©2022 AAAS
图4 患者生理状态反馈和自适应起搏功能：(A) 全部皮肤表面模块收集数据的闭环控制示意图；(B) 多触觉模块演示患者的意识功能；加速度数据（g）为触觉致动器z轴振动数据；(C) 健康人体临床测试结果：(i) 计算的体育活动强度，与实际运动情况相符；(ii) 呼吸模块监测的呼吸速率；(iii) 心脏模块监测到的健康人体心跳速率（黑色）和通过算法处理得到的频率自适应起搏信号（红色）对比；(iv) 用呼吸模块监测数据校准和测试的核心温度变化；(v) 典型的血液动力学模块SPO2测试 ©2022 AAAS
四、【成果启示】
研究人员提出的瞬时闭环控制系统代表了一种分布式的无线生物电子学技术，可在一定时间范围提供自动电疗，满足心脏术后治疗的需要。通过控制系统实现皮肤表面模块和植入体内的可生物吸收仪器的同步通信。皮肤表面模块从人体各部位捕捉到的数据可以获得心肺健康和身体机能的信息。基于这些信息，通过对可生物吸收模块的无线供电，确定自动、频率自适应起搏参数，满足新陈代谢需求。通过多触觉界面，还支持对仪器和身体状态进行反馈。可生物吸收模块在工作设定的时间后可完全溶解。患者恢复后皮肤表面模块可轻松去除。这套系统提供了闭环控制技术框架，以一种完全替代传统医疗设备和药理学方法的方式治疗各种疾病和短时患者疾病
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