科学家开发智能心脏起搏器 在不再需要时可无害地在体内溶解

2022年05月28日 09:04 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

去年夏天,美国西北大学的科学家们推出了有史以来第一个瞬态起搏器--一种完全可植入的无线设备,在不再需要时可无害地在体内溶解。现在,他们推出了一个新的智能版本,它被整合到一个由放置在上半身周围的无线、柔软、灵活、可穿戴的传感器和控制单元组成的协调网络。

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这项研究于5月27日发表在《科学》杂志上。这项工作由西北大学的 John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi Arora领导。

这些传感器相互通信,持续监测身体的各种生理功能,包括体温、氧气水平、呼吸、身体活动、肌肉张力和心脏的电活动。

然后,该系统使用算法自动分析这些综合活动,以自主检测异常的心律,并决定何时以何种速度进行心脏起搏。所有这些信息都流向智能手机或平板电脑,因此医生可以远程监控他们的病人。

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新的瞬态起搏器和传感器/控制网络可用于心脏手术后需要临时起搏或正在等待永久起搏器的患者。起搏器以无线方式从网络内的一个节点获取能量--这是一个小型的无线设备,可以柔软地贴在病人的胸部。这项技术消除了对外部硬件的需求,包括电线。

为了使该系统能够与病人“沟通”,研究人员加入了一个小型的、可穿戴的触觉反馈装置,可以穿戴在身体的任何地方。当传感器检测到一个问题(如电池电量不足、设备位置不正确或起搏器故障)时,触觉设备会以特定的模式振动,提醒佩戴者并告知他们这个问题。

“这标志着我们首次将柔软的、可穿戴的电子产品与瞬态电子平台配对,”Rogers说。“这种方法可以改变病人接受护理的方式,提供对基本生理过程的多模式、闭环控制--通过传感器和刺激器的无线网络,其运作方式受到控制生物体内行为的复杂、生物反馈回路的启发。”

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“对于临时心脏起搏,该系统使病人摆脱了使他们被限制在医院环境中的监测和刺激装置。相反,病人可以在自己家里舒适地康复,同时保持由医生远程监控带来的安心感。这也将降低医疗保健的成本,并为其他病人腾出医院的床位。”

Efimov说:“在目前的情况下,临时起搏器需要一根连接到刺激心脏的外部发电机的导线。当心脏重新获得适当的自我刺激能力时,必须将电线拔出。正如你可能想象的那样,拔出连接到心脏的电线是一个相当戏剧性的过程。我们决定从一个不同的角度来处理这个问题。我们创造了一种起搏器,它可以简单地溶解,不需要被移除。这就避免了拔出电线的危险步骤。”

“目前的起搏器相当智能,对病人不断变化的需求反应良好,”Arora说。“但是,可穿戴模块可以完成传统起搏器所做的一切,甚至更多。病人基本上在胸前戴上一个小贴片,并获得实时反馈来控制起搏器。不仅起搏器本身是生物可吸收的,它还由一个柔软的可穿戴贴片控制,使起搏器能够对通常的生活活动做出反应,而不需要植入传感器。”

Rogers是麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯-辛普森和金伯利-奎雷教授,以及奎雷-辛普森生物电子学研究所(QSIB)的主任。Efimov是麦考密克的生物医学工程教授和芬伯格的医学(心脏病学)教授。Arora是费恩伯格的医学教授,也是心律失常研究中心的联合主任。

连接“身体区域网络”

作为生物电子学的先驱,Rogers和他实验室的研究人员近二十年来一直在开发柔软、灵活的无线可穿戴设备,以及生物可移植电子技术。在新研究中,Rogers和他的合作者将他们的生物可吸收无铅起搏器与四种不同的皮肤接口设备结合并协调起来,共同工作。安装在皮肤上的设备是柔软的、有弹性的,使用后可以轻轻剥离,不需要通过手术切除。起搏器在使用一段时间后会在体内自然溶解。

这个“身体区域网络 ”包括:

  • 一个无电池的瞬态生物可吸收起搏器,用于暂时为心脏起搏;

  • 一个位于胸部的心脏模块,为植入的心脏起搏器提供电源并控制刺激参数,以及感知心脏的电活动和声音;

  • 位于前额的血液动力学模块,用于感知脉搏氧饱和度、组织氧饱和度和血管张力;

  • 位于喉咙底部的呼吸模块,监测咳嗽和呼吸活动;

  • 一个多触觉反馈模块,以各种模式振动和脉冲,与病人“交流”。

“我们想证明有可能部署多种不同类型的设备,每个设备都以无线协调的方式在全身执行基本功能,”Rogers说。“有些是传感的。有些是提供电力。有些是刺激性的。有些是提供控制信号。但它们都在一起工作,交换信息,根据算法做出决定,并对不断变化的条件做出反应。多个生物电子装置相互交谈并在不同的相关解剖位置发挥不同功能的愿景是一个前沿领域,我们将在未来继续追求。”

自从一年前西北大学的瞬态起搏器首次推出以来,研究人员已经进行了多项改进,以推进该技术。以前的设备是灵活的,而新设备是灵活的、有弹性的,使其能够更好地适应心脏跳动的变化。另一个新的好处是:随着瞬态起搏器缓慢而无害地溶解,它现在释放出一种抗炎药物以防止异物反应。

也许最有影响的进展是该设备能够根据病人的需要,按需提供起搏。与起搏器同步,安装在胸前的心脏模块实时记录心电图以监测心脏活动。在这项研究中,研究人员将这种无线技术与黄金标准的心电图进行了比较,发现它与临床级系统一样准确和精确。

Efimov解释说:“心脏模块实际上是告诉起搏器对心脏施加刺激。如果恢复了正常活动,那么它就停止起搏。这很重要,因为如果你在没有必要的时候刺激心脏,那么你就有可能诱发心律失常。”

“起搏系统是完全自主的,”Rogers实验室的博士后研究员、该论文的第一作者之一Yeon Sik Choi说。“它可以自动检测问题并应用治疗。它很容易,而且自成一体,对外部的需求最小。”

对新生儿来说足够温和的保健服务

Rogers、Efimov、Arora和他们的团队认为他们的系统对最脆弱的病人最有利。每年,大约有4万名婴儿出生时,在分隔心脏上腔的壁上有一个洞。其中约有1万个病例有生命危险,需要立即手术。手术后,100%的婴儿都会收到一个临时起搏器。

“好消息是这是一个暂时的状况,”Efimov说。“大约五到七天后,心脏恢复了自我刺激的能力,不再需要起搏器。多年来,拆除起搏器的程序已经有了很大的改进,所以并发症的发生率很低。但是我们可以把这些婴儿从连接到外部发电机的电线中解放出来,使他们不再需要第二次手术。”

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