美国西北大学Rogers等开发可生物溶解柔性起搏器与可穿戴传感器构成心脏监测控制网络通信系统
【导读】：
临时术后心脏起搏需要带有经皮导线和外部有线电源和控制系统的设备。该硬件引入了感染风险、患者活动受限以及手术提取程序的要求。生物可吸收起搏器减轻了其中一些缺点，但它们需要与外部有线系统和辅助控制机制配对。美国西北大学Rogers等人提出了一个瞬态闭环系统，它将皮肤集成设备的时间同步无线网络与先进的生物可吸收起搏器相结合，以控制心律、跟踪心肺状态、提供多触觉反馈，并以最小的患者负担实现瞬态操作。结果提供了一系列自主的、频率自适应的心脏起搏能力，如大鼠、犬科动物、和人类心脏研究。这项工作为使用无线连接的身体集成生物电子设备的闭环临时电疗建立了一个工程框架。
去年，西北大学的研究人员推出了首个瞬态起搏器——一种完全可植入的无线设备，在不再需要后可以无害地溶解在体内。现在，他们推出了一个新的智能版本，该版本集成到一个由软、灵活、无线、可穿戴传感器和控制单元组成的协调网络中，这些传感器和控制单元放置在上半身周围。
该研究将于周五（5 月 27 日）发表在《science》杂志上。这项工作由西北大学的John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi Arora领导。
瞬态起搏器实物。
传感器相互通信以持续监测身体的各种生理功能，包括体温、氧气水平、呼吸、肌肉张力、身体活动和心脏的电活动。
然后，该系统使用算法来分析这种组合活动，以便自主检测异常的心律，并决定何时以何种速度为心脏起搏。所有这些信息都流式传输到智能手机或平板电脑，因此医生可以远程监控他们的患者。
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性起搏器的患者。起搏器以无线方式从网络中的一个节点收集能量——一个柔软地附着在患者胸部的小型无线设备。该技术消除了对外部硬件的需求，包括电线（或引线）。
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线圈和电极设计。
不同机械力学条件下的可靠性测试。
心脏模块FPCB布局示意图。
为了使系统能够与患者交流，研究人员采用了一种小型可穿戴触觉反馈设备，可以佩戴在身体的任何部位。当传感器检测到问题（例如电池电量低、设备放置不正确或起搏器故障）时，触觉设备会以特定模式振动，提醒佩戴者并告知他们问题。
专家的见解
“这标志着我们第一次将柔软的可穿戴电子设备与瞬态电子平台配对，”罗杰斯说。“这种方法可以改变患者接受护理的方式，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，其运行方式受到控制活生物体行为的复杂生物反馈回路的启发。
“对于临时心脏起搏，该系统使患者摆脱了将他们限制在医院环境中的监测和刺激设备。相反，患者可以在舒适的家中康复，同时保持由医生远程监控带来的安心。这也将降低医疗保健成本，并为其他患者腾出病床。”
“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电线，”Efimov 说。“当心脏恢复适当刺激自身的能力时，必须拔出电线。正如您可能想象的那样，这是一个非常戏剧性的过程，用于拔出连接到心脏的电线。我们决定从不同的角度来解决这个问题。我们创造了一个简单地溶解并且不需要移除的起搏器。这避免了拉出电线的危险步骤。”
“目前的起搏器非常智能，可以很好地响应患者不断变化的需求，”Arora 说。“但可穿戴模块可以完成传统起搏器所做的一切，甚至更多。患者基本上会在胸前佩戴一个小贴片，并获得实时反馈来控制起搏器。起搏器本身不仅是可生物吸收的，它还由柔软的可穿戴贴片控制，使起搏器无需植入式传感器即可对日常生活中的日常活动做出反应。”
连接“体域网”
作为生物电子学的先驱，罗杰斯和他的实验室近二十年来一直在开发柔软、灵活的无线可穿戴设备和生物可吸收电子技术。在这项新研究中，罗杰斯和他的合作者将他们的生物可吸收、无引线起搏器与四种不同的皮肤接口设备相结合并协调工作。贴在皮肤上的设备柔软、有弹性，使用后可以轻轻剥离，无需手术切除。需要一段时间后，起搏器会自然溶解在体内。
“体域网”包括：
一种无电池瞬态、生物可吸收起搏器，可临时起搏心脏；
一个心脏模块，它位于胸部，为植入的起搏器提供动力和控制刺激参数，并感知心脏的电活动和声音；
位于前额的血流动力学模块，用于感应脉搏血氧饱和度、组织氧合和血管张力；
位于喉咙底部的呼吸模块，用于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以与患者交流。
志愿者展示可生物降解起搏器、胳膊上的触觉反馈装置等多个设备以及平板电脑应用程序。
“我们想证明可以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身体上执行基本功能，”罗杰斯说。“有些人正在感应。有些正在提供电力。有些很刺激。有些提供控制信号。但他们都一起工作，交易信息，根据算法做出决策并对不断变化的条件做出反应。多个生物电子设备相互通信并在不同的相关解剖位置执行不同功能的愿景是我们未来将继续追求的前沿领域。”
触觉反馈设备的底部，显示了它的四个执行器。
所有设备放在一起，左侧是瞬态起搏器。
新进展
自从一年前首次引入西北大学的瞬态起搏器以来，研究人员已经进行了多项改进以推进该技术。虽然以前的设备很灵活，但新设备灵活且有弹性，使其能够更好地适应不断变化的心脏跳动特性。另一个新好处：随着瞬态起搏器缓慢且无害地溶解，它现在会释放一种抗炎药以防止异物反应。
也许最有影响力的进步是该设备能够根据患者需要的时间按需提供起搏。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心电图进行了比较，发现它与临床级系统一样准确和精确。
“心脏模块从字面上告诉起搏器对心脏施加刺激，”Efimov 解释说。“如果恢复正常活动，那么它就会停止起搏。这很重要，因为如果你在不必要的时候刺激心脏，那么你就有诱发心律失常的风险。”
“起搏系统是完全自主的，”罗杰斯实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者 Yeon Sik Choi 说。“它可以自动检测疾病并进行治疗。它简单且独立，外部需求最少。”
对新生儿足够温和的保健
Rogers、Efimov、Arora 和他们的团队相信他们的系统将对最脆弱的患者最有益。每年，大约有 40,000 名婴儿出生时，墙上有一个洞，将他们的心脏上腔隔开。这些病例中约有 10,000 例危及生命，需要立即手术。手术后，100% 的婴儿会接受临时起搏器。
“好消息是这是暂时的情况，”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，移除起搏器的程序有了很大的改进，因此并发症的发生率很低。但我们可以将这些婴儿从连接到外部发电机的电线中解放出来，让他们不再需要第二次手术。”
（A）成人患者全尺寸多组件系统示意图
（B）针对年轻患者的最小化组件系统。
对于新生儿或儿科患者，减少模块数量可能很重要。例如，心脏模块和呼吸模块的功能可以组合为单个单元和触觉模块可以与监护人或健康提供者连接。
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希望本篇文章《可穿戴设备：未来科技如何改变我们的健康管理》能对你有所帮助！
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