无线植入器件监测体征

心血管疾病比如冠状动脉疾病、心力衰竭、中风和外周动脉疾病等，是导致过早死亡和残疾的主要原因。通过实时血流动力学监测手段可以降低患者死亡率、成本和其他风险因素，从而改善患者的术后恢复和生活质量。

目前，临床手段一般通过肺动脉导管将一段传感器插入动脉，另一端以有线方式连接到监视器上显示动脉压力和流速。然而，这种方法存在种种弊端。

因此，科学家们致力于将血管压力、流速、温度的实时监测设备小型化、无线化。

(资料图)

近日，美国西北大学约翰•罗杰斯（）院士带领团队实现了一种可以连续监测血管压力、血液流速和血液温度的无线无电池技术，能将体内植入系统（传感器、无线模块）与体外可穿戴系统（供电、显示模块），通过无线通信、无线供能方式实现完美隔离，为医疗设备的小型化和无线化提供了新路径。

日前，相关论文以《一种无电池的无线植入物，用于连续监测血管压力、流速和温度》（）为题发在Nature Biomedical Engineering上。

图 | 相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）

韩国科学技术院电气工程学院助理教授权敬河（）是共同一作兼共同通讯，美国西北大学约翰•罗杰斯（）院士担任共同通讯作者，清华大学博士后赵建中是论文共同一作。

据了解，体内植入系统是实现血流动力学（血压、流速和血温）实时监测功能的基础，其由两部分组成：（1）传感器模块，可以植入血管并实时传感血液双向流速、压力和温度信息；（2）无线模块，可以植入脂肪层和真皮层之间，通过接收线圈和蓝牙分别实现收集能量和传输数据的功能。

图 |体内植入系统与体外可穿戴系统（来源：Nature Biomedical Engineering）

体外可穿戴系统也由两部分组成：（1）定制的用户操作界面，通过手机或平板实现无线测量数据的控制、存储和分析，以及血压、流速和血温的连续实时显示；（2）外部无线能量传输模块，包括电池、充电电路和发射线圈，能对接收线圈实现供电。

这种植入式测量器件，不需要从体内引出导线，也不需要在体内搭载电池，可以在任何时间、任意场景下对患者进行实时检测。

之前患者必须在医院借助大型医疗设备才能做到的事情，现在在家里只需简单穿戴一下，拿出手机就可以实时显示自己的健康情况，同时也可以实时共享给医生，这样小型化的便携式设备蕴含着不错的应用潜力。

再畅想一下，未来每个人都可以植入一个无线电子器件，在检测和诊断的时候，只需用手机连接一下就能分析自己的健康状况。之前体检可能是一年一次，而未来有望实现几秒体检一次。

图 | 用于监测血流参数的植入式传感器（来源：Nature Biomedical Engineering）

视频 | 猪心脏肺动脉内传感模块的运动（来源：Nature Biomedical Engineering）‍

这样一个研究课题需要多学科、多方向研究人员的密切配合。其中，美国西北大学约翰•罗杰斯（）院士团队侧重于器件系统的前期设计、加工、测试等工作；美国西北大学院士团队负责传感器的结构设计和力学分析。

该器件设计的一大难点是如何建立直接测量物理量（比如应变等）与生理参数（血压、流速）之间的关系。

赵建中博士针对血压、流速测量问题做了系统的力学理论分析，逐步解决了结构优化设计、流固耦合仿真、硅应变片布置等问题，实现了器件的最优化设计，保证器件测量的精度。

在此基础上，分别建立了用于血压、流速测量的力学模型，给出了器件直接测量物理量（比如应变等）与生理参数（血压、流速）之间的解析关系，以此指导实验测量。

图 | 赵建中（来源：赵建中）

力学不仅是一门基础科学，也是一门面向工程技术问题的科学。赵建中博士表示，有意识地借助力学手段去解决实际的工程技术前沿问题，将力学理论付诸于实践，不但极具挑战，也充满机遇。

参考资料：

1.Kwon, K., Kim, J.U., Won, S.M.et al.A battery-less wireless implant for the continuous monitoring of vascular pressure, flow rate and temperature.Nat. Biomed. Eng(2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01022-4

运营/排版：何晨龙

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