中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化和動(dòng)脈瘤等血管疾病是導致死亡的主要原因，其每年導致的死亡人數占全球死亡人數的30%以上。這些疾病和病癥，可以發(fā)生在整個(gè)血管系統中，包括直徑各異、不同曲率的動(dòng)脈。因而，監測血壓和流速以及其他的血液動(dòng)力學(xué)特征，是跟蹤血管疾病進(jìn)展和治療的重要手段。
然而，目前的血流動(dòng)力學(xué)監測方法，包括血管造影、磁共振成像、多普勒超聲和導管插入術(shù)，由于其有限且重復的監測周期并需要固定患者，因而無(wú)法提供廣泛且全面的血管健康觀(guān)測。另外，盡管連續血流動(dòng)力學(xué)監測已被證明可以改善患者的預后，但現有的臨床器件由于其龐大的尺寸和剛性材料特點(diǎn)只能提供有限的傳感能力。
現有的傳感器一般僅適用于心臟、腹部動(dòng)脈瘤和肺動(dòng)脈內的壓力監測，而無(wú)法適用于其他動(dòng)脈?？傮w而言，用于動(dòng)脈傳感的血管電子器件的發(fā)展受到了嚴格的植入和操作要求的限制（包括需要充足的無(wú)線(xiàn)儲電能力以及柔性、小型化且超薄的系統），以使其可以自我固定在動(dòng)脈內并與微創(chuàng )導管植入術(shù)兼容。目前，可拉伸和柔性電子器件的發(fā)展為無(wú)線(xiàn)動(dòng)脈傳感器的發(fā)展提供了新的手段。
近期，佐治亞理工學(xué)院機械工程系（George W. Woodruff School of Mechanical Engineering，Georgia Institute of Technology）的研究團隊，開(kāi)發(fā)了一種由集成柔性傳感器的無(wú)線(xiàn)支架平臺組成的植入式血管電子器件系統，以滿(mǎn)足植入和操作要求。該器件通過(guò)感應耦合進(jìn)行無(wú)線(xiàn)操作，以實(shí)現對壓力、脈搏率和流量的實(shí)時(shí)、同步監測，從而即時(shí)診斷各種血管狀況。相關(guān)研究成果以論文形式發(fā)表在Science Advances。
該植入式無(wú)線(xiàn)器件由一個(gè)集成了柔性電容傳感器的感應智能支架組成。支架平臺可以同時(shí)實(shí)現電容傳感器的無(wú)線(xiàn)監測功能和植入結構的可靠性。為了實(shí)現這一點(diǎn)，混合材料支架使用導電環(huán)和非導電連接器來(lái)實(shí)現類(lèi)似于螺線(xiàn)管的導電通路，并將其用作感應天線(xiàn)。為了隨時(shí)進(jìn)行血流動(dòng)力學(xué)監測，研究人員在支架的內表面上層配置了柔性超薄壓力傳感器。同時(shí)，電容式傳感器通過(guò)使用結構化介電層來(lái)提高靈敏度和響應時(shí)間
雖然壓力監測只需要一個(gè)傳感器，但研究人員在支架的兩端分別放置一個(gè)壓力傳感器共享支架并形成兩個(gè)具有不同諧振頻率的LC電路。每個(gè)電路的諧振頻率通過(guò)外部環(huán)形天線(xiàn)和矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀（VNA）使用S11參數（散射參數其中之一，用于電路分析）進(jìn)行無(wú)線(xiàn)監控?？傮w而言，該無(wú)線(xiàn)系統可以實(shí)時(shí)、同時(shí)監測壓力、脈搏率和流量。
傳統的支架由單一材料的導電環(huán)和連接器形成，通過(guò)移除連接器并將導電環(huán)設置為連續路徑，可實(shí)現類(lèi)似螺線(xiàn)管的設計，但這種設計不利于支架力學(xué)和與球囊擴張的兼容性。為了克服這個(gè)問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了一種感應支架設計和制造工藝，使用導電回路和非導電連接器，從而防止相鄰回路之間發(fā)生電氣短路。
為了獲得全印刷傳感器，研究人員通過(guò)氣溶膠噴印方法，使用了可與粘度從1到1000cp的各種墨水兼容的快速制造工藝，獲得了聚酰亞胺（PI）、銀納米粒子（AgNPs）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的印刷層，最終形成了具有可拉伸互連的壓力傳感器。傳感器頂部和底部電極通過(guò)噴嘴分別印刷在同一基板上，然后將印刷層轉移并在彈性體中層壓在一起。而在封裝材料的選用上，PDMS因為具有血液相容性被采用。后續的研究中，研究人員會(huì )進(jìn)一步探索其他適用的封裝材料，以及優(yōu)化墨水和印刷參數以獲得薄而耐用的傳感器。
為了評估無(wú)線(xiàn)傳感器對各種血管狀況的監測，研究人員將其植入到體外動(dòng)脈模型中進(jìn)行試驗。首先，將傳感器集成在支架內并在每一端連接以形成完整的LC電路，然后壓接在球囊導管上并通過(guò)引導導管前進(jìn)。通過(guò)電容的有線(xiàn)監測和共振頻率的無(wú)線(xiàn)監測來(lái)驗證支架和傳感器功能，而頻率掃描信號的連續收集能夠實(shí)時(shí)監測動(dòng)脈壓。
最后，研究人員利用家兔模型進(jìn)行了一項體內試驗以驗證無(wú)線(xiàn)傳感器體內操作的可行性。試驗過(guò)程中使用了一個(gè)初始直徑低于1.5mm且擴張直徑達3.0mm的小型感應支架。在以往通過(guò)導管傳遞的血管傳感器的研究中，體內研究受限于導管研究進(jìn)展的不足、高植入失敗率和對手術(shù)移植物使用的依賴(lài)。而此項研究中，研究人員將無(wú)線(xiàn)器件從家兔左頸動(dòng)脈的血管鞘插入部位導入，經(jīng)過(guò)主動(dòng)脈弓，穿過(guò)腹主動(dòng)脈，進(jìn)入右髂動(dòng)脈，突出了無(wú)線(xiàn)器件在主動(dòng)脈（直徑為4.5mm）、右髂動(dòng)脈（直徑1.93mm）的狹窄彎曲動(dòng)脈中前進(jìn)的能力。此外，另一個(gè)無(wú)線(xiàn)器件可以繞過(guò)血管系統當中的急轉彎區域，并被導入直徑為1.53mm的左腎動(dòng)脈，這表明其具有在高度狹窄的動(dòng)脈中進(jìn)行傳感的潛力。
總體而言，該研究針對電子器件設計、材料和系統集成方面的進(jìn)步為植入式血管電子器件系統和血流動(dòng)力學(xué)的全面無(wú)線(xiàn)監測提供了新的發(fā)展點(diǎn)。研究人員表示，后續的研究工作將圍繞改進(jìn)傳感器封裝、減少支架支柱和傳感器厚度，以及開(kāi)發(fā)具有外部讀取器的電子器件來(lái)進(jìn)行，并期望將研究成果用于植入傳感器功能、內皮形成和炎癥問(wèn)題的體內長(cháng)期研究。
