1987年，法國醫生Mouret的一次偶然手術標志著人類邁入微創手術時代，微創手術顧名思義是通過小切口進行手術，具有創口小（0.5 - 1cm）、疼痛輕、恢復快、出血少等優點。在微創中，具有代表性的設備是導管，它可以：部署醫療設備（例如血管內支架或心臟瓣膜假體），在手術過程中捕獲信息（例如力、溫度或電描記圖）和或將力、電磁能、熱刺激和或生物材料（例如藥物，細胞或納米顆粒）傳遞到軟組織上或軟組織內的目標部位。
盡管這些基于導管的方法在現代醫學中得到了廣泛應用，但它們存在缺點：
1）目前的導管相當堅硬，與所使用的軟組織不太吻合。
2）這使得綜合評估和治療這些組織變得困難，并且需要花費大量的精力和時間在手術過程中移動導管。
3）功能單一，這意味著在單次手術中可能需要幾種不同類型的導管。
成果簡介：
鑒于此，西北大學John A. Rogers院士、黃永剛院士和喬治華盛頓大學Igor R. Efimov等人開發了一種新型的導管，可將電極傳感器和執行器以及溫度和壓力傳感器的可伸縮和柔性矩陣應用于球囊導管系統，通常用于微創手術或消融治療，如心律失常。這使得該導管可以與軟組織相吻合，并且減少手術時間，同時執行多種監測功能。成果以題為“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”發表于Nature Biomedical Engineering上。
與現有導管相比，該新型導管具有以下優點：
可探測更復雜的組織
研究人員將傳感器、執行器和相關電子設備的多功能集合安裝在多層設計的彈性表面上，其中每一層都發揮獨特的作用。多路復用陣列格式的儀器傳感器和執行器可以探測組織的復雜性質，特別是在跳動的心臟中。例如，這將有助于更好地定位導致心律失常的致死性心律失常的來源。該多模式、多路復用傳感能力的集合為高級、高密度和多功能診斷提供了多種選擇。
圖|多模式、多路復用的柔性傳感器和執行器用于微創手術
圖|設計、組裝和表征3D壓力傳感器陣列
具有多種治療功能
因為該設備具有診斷和治療功能的多層和多功能架構，所以通過將不同類型的電信號通過系統傳遞給生物學，實現治療功能，這可增強許多微創心臟手術，包括射頻消融（RFA）或不可逆電穿孔（IRE）消融術，其中消融心臟或神經細胞可以消除心律不齊的源頭；并且通過可逆電穿孔的過程，可將藥物和其他生物材料直接遞送到細胞中。
圖|治療功能
同時操作、實時反饋
在進行通過傳感器、執行器、多模式操作的同時，可以實現實時反饋控制。
圖|同時、多模式操作
人體器官模型驗證
研究人員在Langendorff兔心臟模型上進行的實驗驗證了所用球囊導管的診斷和治療功能。且在離體供體人心臟左心室楔形模型的心內膜表面上進行的實驗進一步驗證了多功能功能并突出了電描記圖的保真度。這些實驗表明使用儀器化的球囊導管可作為診斷和治療人類心臟病的先進手術工具的可能性。
圖|兔心臟模型證明了儀器化球囊導管的多功能性
圖|人體心臟模型的心內膜電生理研究
小結
通過集合多層結構的柔性多路電子系統，解決了常規心臟設備的基本局限性：設備與心臟組織之間的模量不匹配以及傳感和驅動中的模態和空間密度不足。這種系統與商業和或定制導管的集成產生了具有保形、高密度和多模式感測和致動能力的復雜系統。該系統有望使醫生獲得豐富的生理信息，并通過一個儀器導管系統在較短的時間內完成手術。該整合策略可以應用于與神經系統、泌尿系統、胃腸道和其他部位的手術相關的其他手術器械。
因此，對于先進的與人體接觸的微型侵入型手術設備，這只是一個起點！
參考文獻：
Han, M., et al. Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery. Nat Biomed Eng(2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-00604-w
