心臟起搏治療革命性新技術登上Science
一、 【導讀】
心臟手術后的5-7天會出現心跳過緩，需要住院進行心臟起搏治療。術后患者的臨時心臟起搏需要植入擁有經皮導線、外部有線電源和控制系統的儀器。這些硬件帶來了感染風險、患者移動受限并且需要手術取出。可吸收的起搏器減輕了部分上述問題，但是需要與外部有線系統配對，以及額外的控制機制。
二、【成果掠影】
美國西北大學Yeon Sik Choi和Hyoyoung Jeong等研究人員提出了一種包含時間同步的無線網絡皮膚集成儀器和可吸收起搏器的瞬時閉環控制系統，用于控制心率，跟蹤心肺狀態，提供多觸覺反饋。短暫的手術可最大限度減輕患者負擔。在老鼠、犬和人類心臟實驗的結果證明了這個系統具有自動控制、頻率自適應的心臟起搏等一系列能力。這項工作建立了通過無線網絡、植入可吸收儀器的閉環控制臨時電療法的工程框架。
該閉環控制系統包含七個關鍵部件：(i) 臨時、可吸收以及可拉伸的心外膜起搏器；(ii) 可生物吸收的類固醇洗脫界面（激素電極），最大程度減輕炎癥和纖維化；(iii) 皮下可生物吸收的能源接收單元；(iv) 一套柔軟的皮膚表面傳感器，用于患者生理機能監測時捕捉心電圖(ECGs)、心率(HR)、呼吸信息、體能信息和電腦血液動力學；(v) 將能量傳輸給能源接收單元無線高頻模塊；(vi) 通過機械振動進行聯系的柔軟的皮膚表面觸覺致動器；(vii) 用于實時可視化、儲存和分析數據的手持自適應控制裝置。
相關研究成果以“A transient, closed-loop network of wireless, body-integrated devices for autonomous electrotherapy”為題發表在Science上。
三、【數據概覽】
圖1 臨時心臟起搏器的瞬時閉環控制系統：(A) (i)自動無線起搏電療控制系統示意圖， (ii) 不住院人工流產控制系統示意圖；(B) “持續監測、自動治療和觸覺反饋” 閉環控制系統作用圖；(C) 各種模塊的尺寸；(D) 某種可生物吸收模塊在模擬的生物流體(95 ℃)的磷酸鹽緩沖劑）中浸泡不同時間后的照片 ?2022 AAAS
圖2 材料、設計特征：(A) 某種可吸收模塊的示意圖；(B) 不同直徑磁場接收器線圈的能量獲取散射參數；(C) 將交流電通過磁感應轉化為直流電的示例（整流器）；(D) 輸入電壓（8Vpp）和頻率（13.56 MHZ）不變時，儀器的輸出開路電壓與拉伸應變和扭轉角度的關系；(E) 含不同聚合物的激素電極釋放消炎藥物的作用，誤差棒代表基準偏離值；(F) 浸入37℃ PBS中的可吸收模塊（紅色方框代表10μm厚的Mo）和對比模塊（黑色圓圈，700μm的W表面沉積50μm的Mg）的輸出開路電壓測試值；(G) 皮膚表面心臟模塊示意圖，PMIC ( Power management integrated circuit, 電源管理芯片)；(H) 心臟模塊的系統原理圖；(I-L) 皮膚表面模塊獲得的ECG,HR,呼吸速率和SpO2水平和參考儀器的對比 ?2022 AAAS
圖3 臨時心跳過緩的治療：(A,B) 采用瞬時閉環控制系統的離體人體心臟示意圖(A)及實物圖(B)；(C) 光學測繪的人體心臟外膜動作電位云圖；(D) 閉環遲滯跳動激活起搏器自動發現短時心跳過緩流程圖；(E) 人體心臟程序控制的HR和測試的ECG；設定的參數為：最低速率為54 bpm，起搏時間10 s，起搏速率100 bpm ?2022 AAAS
圖4 患者生理狀態反饋和自適應起搏功能：(A) 全部皮膚表面模塊收集數據的閉環控制示意圖；(B) 多觸覺模塊演示患者的意識功能；加速度數據（g）為觸覺致動器z軸振動數據；(C) 健康人體臨床測試結果：(i) 計算的體育活動強度，與實際運動情況相符；(ii) 呼吸模塊監測的呼吸速率；(iii) 心臟模塊監測到的健康人體心跳速率（黑色）和通過算法處理得到的頻率自適應起搏信號（紅色）對比；(iv) 用呼吸模塊監測數據校準和測試的核心溫度變化；(v) 典型的血液動力學模塊SPO2測試 ?2022 AAAS
四、【成果啟示】
研究人員提出的瞬時閉環控制系統代表了一種分布式的無線生物電子學技術，可在一定時間范圍提供自動電療，滿足心臟術后治療的需要。通過控制系統實現皮膚表面模塊和植入體內的可生物吸收儀器的同步通信。皮膚表面模塊從人體各部位捕捉到的數據可以獲得心肺健康和身體機能的信息。基于這些信息，通過對可生物吸收模塊的無線供電，確定自動、頻率自適應起搏參數，滿足新陳代謝需求。通過多觸覺界面，還支持對儀器和身體狀態進行反饋。可生物吸收模塊在工作設定的時間后可完全溶解。患者恢復后皮膚表面模塊可輕松去除。這套系統提供了閉環控制技術框架，以一種完全替代傳統醫療設備和藥理學方法的方式治療各種疾病和短時患者疾病
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