心血管疾病，如冠狀動脈疾病、心力衰竭、中風和外周動脈疾病，是今年導致患者過早死亡和殘疾以及全國醫療費用上升的主要原因之一。有效和及時的血流動力學監測可以降低死亡率、危險因素與醫療成本，以改善患者的預后和生活質量。目前臨床上將傳感器插入動脈并連接到床頭監視器上，以顯示動脈壓和血流速率。有線接口和笨重的設計可能導致導管打結、瓣膜損傷、感染和運動偽影造成的數據失真，這限制了該技術在醫院環境中臨時用于非臥床患者。這些和其他限制促使小型便攜式系統的開發，這些系統無需電池和無線運行，以支持在任何時間和地點對移動患者進行術后監測，而不受行為限制或需要專業設施或人員協助。近日，美國西北大學奎里·辛普森生物電子研究所的John A. Rogers教授與韓國科學技術院電氣工程學院的Kyeongha Kwon教授合作報道了一種無線心血管血流參數檢測傳感器，實時同時測量血液壓力，流速和溫度。傳感器在皮下植入并通過無線供電的低功耗藍牙進行遠程通信控制。該裝置可通過微創手術經導管直接植入，也可以安裝在植入性醫療設備（如支架）上。諸如此類的無電池和無線設備集成了流速、壓力和溫度傳感功能，為連續監測患者的血液流動力學提供了解決方案。無電池檢測主體和可穿戴無線通信控制設備構成了無線血流動力學監測功能的基礎。無電池檢測主體兩個主要子系統：（1）毫米級傳感模塊，可植入血管并支持一系列微型雙向流量，壓力和溫度傳感器；（2）微型無電池的無線電子模塊，植入皮下脂肪層和真皮層之間。兩部分組成用生物柔性電線連接，使多個傳感器可以自由地放置在最佳位置。生物傳感模塊外形小巧，可通過小切口輕松植入，將傳感器固定在主動脈、動脈、靜脈或心室等目標位置，從而降低手術后部位感染的風險。這種策略還減少了植入器件表面的機械負荷，使得無線電接收線圈（RX線圈）可以位于脂肪層和真皮層之間。這種皮下位置提高了外部無線電力傳輸（WPT）模塊的無線電力傳輸效率（PTE）。可穿戴設備的兩個主要子系統：（1） 無線控制和通信的自定義 UI（移動應用程序）；（2） 外部 WPT 系統，包括電池、充電電路和發射器線圈（TX線圈），用于為 RX 線圈供電。外部設備，包括WPT系統和UI，可以患者的襯衫等位置以保證 TX 和 RX 線圈的對齊。植入式心臟監護儀和外部可穿戴設備的結合使用提供了一種用戶友好型的解決方案，用于在醫院和家庭中快速檢測/表征個體或人群在心臟手術周圍、心臟內和心臟手術后的血流動力學參數。流速傳感模塊包含200nm厚單晶Si-NM應變片，用于測量雙向流速。前后液體的流動使3D結構變形，這反過來導致Si-NM中的拉伸和壓縮應變及其電阻的相應變化。通過有限元分析 （FEA） 確定的流速與應變直接的關系。壓力傳感器包含一個Si-NM應變片，安裝在PI薄膜的底表面上，該薄膜密封在硅襯底中形成的溝槽。外部壓力使膜向下變形到空腔中，從而使Si-NM產生應變，從而改變其電阻。在整個生理相關壓力范圍（5-140 mmHg）下都可以表現出良好的線性應變。建模結果定義了型腔幾何形狀的設計參數，實現由膜的垂直運動引起的最佳壓阻響應。溫度傳感器由PI/Si-NM結構組成，與壓力傳感器類似。同時傳感模塊的溫度傳感器也呈顯示線性響應（ 從 30 °C 到 50 °C ），并且對從 0 mmHg 到 160 mmHg 的壓力變化沒有響應。雖然將傳感器植入血管（直徑 23 mm）會影響血流速度/壓力分布，但僅限于靠近傳感器的血管的一小部分區域。電池供電伴隨使用壽命和更大體積，它們需要手術干預來更換電池，并帶來電池故障相關風險，因此無線供電越來越重要。無線電子系統實現了三個主要目標：（1）WPT從TX線圈傳輸到RX線圈；（2）遠程無線數據傳輸到UI；（3）與周圍組織和生物流體的機械和流體隔離。無線系統由生物相容性封裝層、電子元件和激光切割處理Cu/PI/Cu片組成，以產生薄而靈活的天線線圈和電路走線，將PM電路和BLE系統在芯片（SoC）和模擬前端（AFE）電路上互連。無線電子系統在預編程的采樣周期內將三通道數據傳輸到UI。在50 Hz的采樣率下，設備在節能運行（動態停用外設并在測量之間使用睡眠模式）可將功耗降低80%以上。WPT模塊具有矩形螺旋TX線圈，可將無線電力（高達1.4 W）傳輸到植入皮膚下的RX線圈。TX 和 RX 線圈的對齊會影響傳遞功率，隨著垂直（Z）、橫向（X）和角度（θ）錯位，功率傳輸效率迅速下降。使用次級圓線天線線圈（圖中的第二個線圈），可以有效降低對X錯位的敏感性。RX 和 TX 線圈之間的對齊和角度會影響 PTE，進而改變輸送到 RX 線圈的功率和直流電壓，使用橋式整流器整流。不斷設置RX和TX線圈的中心在（X，Y，Z）為（0，0，0），0° ≤ θ ≤ 85°。當 θ = 0° 時，電壓在 0 ≤ X ≤ 20 mm、Y = 0、0 ≤ Z ≤ 65 mm時是恒定的。對于 X = Y = 0，Z = 34 mm，電壓在 0° ≤ θ ≤ 70° 時恒定。結果證實，轉換器在一系列未對準的情況下為系統提供恒定電壓。使用豬肺動脈中模型驗證傳感模塊。下圖展示了人工心臟系統的框圖。該系統包括兩個氣缸（RV和RA），兩個人工心臟瓣膜（PV和TV） 和商用模塊。帶有機械泵的氣缸復制右心室 （RV） 的機械作用，通過復制肺動脈瓣 （PV） 機械功能的雙瓣機械瓣膜引導液體進入。反過來，通過傳感模塊和商用傳感器的流量又通過帶有溫度控制模塊和一個分別復制右心房（RA）和三尖瓣（TV）的籠式球閥。具有自定義UI的PC接收輸入以控制泵的頻率和幅度，從而提供流量波形的振蕩分量，并顯示從商用傳感器測量的流量/壓力波形。控制泵產生生理脈動流波形，調制周期為每分鐘72次。傳統有線系統測量壓力和流量（P.com和f.com）而無線系統為（P.ble和f.ble）。可以發現無線和傳統有線測量相關性極好。進一步應用于心臟瓣膜受損泄漏導致血液倒流檢測。為了通過檢測短暫的回流來檢查瓣膜的機械能力，血流傳感器必須提供正向和后向流量的測量值。商用流量傳感器與無線系統平均誤差：正向流動 fe= |f.ble – f.com|= 0.5 ± 0.4 L/min和反向流動0.5 ± 0.4 L/min。豬模型的體內研究涉及在PA內植入多傳感模塊，并執行血壓（PAP; mmHg）和血流速度（PAF; L/min）的傳統和無線測量。3D打印平臺的半圓形前部允許傳感模塊滑入切口孔，集成在平臺后部的手術夾將模塊固定在血管壁上。驗證植入式無線心臟血流動力學監測儀與臨床PA導管的比較。P.ble（21.2 ± 2.3 mmHg）與 P.com非常吻合（19.9 ± 3.6 mmHg。結果也顯示了具有生理意義的波形。其中上沖程代表心室收縮，并在收縮壓對應的收縮期峰值達到頂峰。隨著心室松弛，其壓力降低，導致瓣膜關閉并產生以雙裂口為代表的反射壓力波。結果證明了大型動物臨床應用的質量與能力，從而將該技術確立為實時監測血流動力學狀態的一種選擇。這種無線血流動力學監測技術可以與心臟附近目標部位的各種醫療植入物（如手術夾、血管內支架和心臟瓣膜假體）集成。作為具體示例，將模塊與可膨脹金屬支架集成并安裝在導管尖端放氣的球囊上。使用心臟直視心肺旁路手術植入綿羊的主動脈和左心室。使用無線監護儀（.ble）和帶一次性壓力傳感器的靜脈導管（.com）分別監測體內心血管壓力，同時測量左心室和主動脈壓（LVP 和 AP）。注射去氧腎上腺素增加LVP.ble 和 AP.ble 峰值從 84 和 62 mmHg 到 167 和 110 mmHg，而 LVP.com 和 AP.com 分別增加為 86 和 71 mmHg 到 172 和 121 mmHg。硝普鈉降低LVP.ble 和 AP.ble 峰值到 88.9 和44.2 mmHg，以及 LVP.com和AP.com 降低到 78 和55 mmHg。同時評估心室和主動脈壓（如 LVP 和 AP）有助于診斷心臟瓣膜疾病，例如將左心室與主動脈分開的主動脈瓣 （AV） 異常。房室開口變窄會阻礙從左心室到主動脈的血流，因此需要增加ΔP才能將血液泵入主動脈。在心室射血期間LVP 超過 AP，產生峰值差值倍臨床和無線設備檢測為 52.3 mmHg 和 43.5 mmHg，收縮期差值分別為 32.9 mmHg 和38.1 mmHg。這些結果表明，集成模塊能夠監測心血管狀態和診斷瓣膜性心臟病或瓣膜假體故障，壓力測量對于評估生物瓣膜的性能至關重要。因此，將壓力傳感器和流量傳感器集成到設備中可以在術后（甚至是非臥床）持續監測瓣膜的性能。作者團隊此處報告的無線實時準確連續測量血壓、流速和溫度的植入式傳感器。該技術的植入式部分結合了一個傳感器模塊，該模塊提供動脈/心室壓、血流速率和血液溫度的電阻測量，一個包含電壓穩定集成電路和無線電線圈的電子模塊，以及一個帶有AFE電路的BLE SoC，用于將數據無線傳輸到外部設備。外接穿戴設備包括電池、充電電路和發射器線圈，用于將電力傳輸到植入物。整個系統提供臨床級數據，無需物理束縛，其植入與穿戴設備的設計可以在醫院環境之外使用，作為心力衰竭和中風風險增加的患者個性化、及時管理策略的基礎。可以配置簡單的數據分析策略來激活警報，以提醒用戶做出適當的響應，以避免心絞痛或瓣膜狹窄的風險。其他潛力在于在正常活動期間對患者進行持續監測，以診斷心臟疾病并評估相關治療。其他未來機會在于與各種醫療設備（如支架、夾子和人工瓣膜）集成，以準確估計血流動力學參數或監測植入物的功能。在血液接觸裝置的所有情況下，穩定性和長期生物相容性是用于人類的主要要求。受控表面特性（如表面電荷、幾何形狀和潤濕性）的工程方法可以進一步提高長期生物相容性，以克服血液凝固問題。具有節能和面積效率式的WPT方法可能允許將設備植入體內深處，而不受內部功率衰減的限制。Kyeongha Kwon,Jong Uk Kim, Sang Min Won, et al. A battery-less wireless implant for the continuous monitoring of vascular pressure, flow rate and temperature. Nat Biomed Eng. 2023 Apr 10.https://www.nature.com/articles/s41551-023-01022-4
