心血管疾病，如冠状动脉疾病、心力衰竭、中风和外周动脉疾病，是今年导致患者过早死亡和残疾以及全国医疗费用上升的主要原因之一。有效和及时的血流动力学监测可以降低死亡率、危险因素与医疗成本，以改善患者的预后和生活质量。目前临床上将传感器插入动脉并连接到床头监视器上，以显示动脉压和血流速率。有线接口和笨重的设计可能导致导管打结、瓣膜损伤、感染和运动伪影造成的数据失真，这限制了该技术在医院环境中临时用于非卧床患者。这些和其他限制促使小型便携式系统的开发，这些系统无需电池和无线运行，以支持在任何时间和地点对移动患者进行术后监测，而不受行为限制或需要专业设施或人员协助。近日，美国西北大学奎里·辛普森生物电子研究所的John A. Rogers教授与韩国科学技术院电气工程学院的Kyeongha Kwon教授合作报道了一种无线心血管血流参数检测传感器，实时同时测量血液压力，流速和温度。传感器在皮下植入并通过无线供电的低功耗蓝牙进行远程通信控制。该装置可通过微创手术经导管直接植入，也可以安装在植入性医疗设备（如支架）上。诸如此类的无电池和无线设备集成了流速、压力和温度传感功能，为连续监测患者的血液流动力学提供了解决方案。无电池检测主体和可穿戴无线通信控制设备构成了无线血流动力学监测功能的基础。无电池检测主体两个主要子系统：（1）毫米级传感模块，可植入血管并支持一系列微型双向流量，压力和温度传感器；（2）微型无电池的无线电子模块，植入皮下脂肪层和真皮层之间。两部分组成用生物柔性电线连接，使多个传感器可以自由地放置在最佳位置。生物传感模块外形小巧，可通过小切口轻松植入，将传感器固定在主动脉、动脉、静脉或心室等目标位置，从而降低手术后部位感染的风险。这种策略还减少了植入器件表面的机械负荷，使得无线电接收线圈（RX线圈）可以位于脂肪层和真皮层之间。这种皮下位置提高了外部无线电力传输（WPT）模块的无线电力传输效率（PTE）。可穿戴设备的两个主要子系统：（1） 无线控制和通信的自定义 UI（移动应用程序）；（2） 外部 WPT 系统，包括电池、充电电路和发射器线圈（TX线圈），用于为 RX 线圈供电。外部设备，包括WPT系统和UI，可以患者的衬衫等位置以保证 TX 和 RX 线圈的对齐。植入式心脏监护仪和外部可穿戴设备的结合使用提供了一种用户友好型的解决方案，用于在医院和家庭中快速检测/表征个体或人群在心脏手术周围、心脏内和心脏手术后的血流动力学参数。流速传感模块包含200nm厚单晶Si-NM应变片，用于测量双向流速。前后液体的流动使3D结构变形，这反过来导致Si-NM中的拉伸和压缩应变及其电阻的相应变化。通过有限元分析 （FEA） 确定的流速与应变直接的关系。压力传感器包含一个Si-NM应变片，安装在PI薄膜的底表面上，该薄膜密封在硅衬底中形成的沟槽。外部压力使膜向下变形到空腔中，从而使Si-NM产生应变，从而改变其电阻。在整个生理相关压力范围（5-140 mmHg）下都可以表现出良好的线性应变。建模结果定义了型腔几何形状的设计参数，实现由膜的垂直运动引起的最佳压阻响应。温度传感器由PI/Si-NM结构组成，与压力传感器类似。同时传感模块的温度传感器也呈显示线性响应（ 从 30 °C 到 50 °C ），并且对从 0 mmHg 到 160 mmHg 的压力变化没有响应。虽然将传感器植入血管（直径 23 mm）会影响血流速度/压力分布，但仅限于靠近传感器的血管的一小部分区域。电池供电伴随使用寿命和更大体积，它们需要手术干预来更换电池，并带来电池故障相关风险，因此无线供电越来越重要。无线电子系统实现了三个主要目标：（1）WPT从TX线圈传输到RX线圈；（2）远程无线数据传输到UI；（3）与周围组织和生物流体的机械和流体隔离。无线系统由生物相容性封装层、电子元件和激光切割处理Cu/PI/Cu片组成，以产生薄而灵活的天线线圈和电路走线，将PM电路和BLE系统在芯片（SoC）和模拟前端（AFE）电路上互连。无线电子系统在预编程的采样周期内将三通道数据传输到UI。在50 Hz的采样率下，设备在节能运行（动态停用外设并在测量之间使用睡眠模式）可将功耗降低80%以上。WPT模块具有矩形螺旋TX线圈，可将无线电力（高达1.4 W）传输到植入皮肤下的RX线圈。TX 和 RX 线圈的对齐会影响传递功率，随着垂直（Z）、横向（X）和角度（θ）错位，功率传输效率迅速下降。使用次级圆线天线线圈（图中的第二个线圈），可以有效降低对X错位的敏感性。RX 和 TX 线圈之间的对齐和角度会影响 PTE，进而改变输送到 RX 线圈的功率和直流电压，使用桥式整流器整流。不断设置RX和TX线圈的中心在（X，Y，Z）为（0，0，0），0° ≤ θ ≤ 85°。当 θ = 0° 时，电压在 0 ≤ X ≤ 20 mm、Y = 0、0 ≤ Z ≤ 65 mm时是恒定的。对于 X = Y = 0，Z = 34 mm，电压在 0° ≤ θ ≤ 70° 时恒定。结果证实，转换器在一系列未对准的情况下为系统提供恒定电压。使用猪肺动脉中模型验证传感模块。下图展示了人工心脏系统的框图。该系统包括两个气缸（RV和RA），两个人工心脏瓣膜（PV和TV） 和商用模块。带有机械泵的气缸复制右心室 （RV） 的机械作用，通过复制肺动脉瓣 （PV） 机械功能的双瓣机械瓣膜引导液体进入。反过来，通过传感模块和商用传感器的流量又通过带有温度控制模块和一个分别复制右心房（RA）和三尖瓣（TV）的笼式球阀。具有自定义UI的PC接收输入以控制泵的频率和幅度，从而提供流量波形的振荡分量，并显示从商用传感器测量的流量/压力波形。控制泵产生生理脉动流波形，调制周期为每分钟72次。传统有线系统测量压力和流量（P.com和f.com）而无线系统为（P.ble和f.ble）。可以发现无线和传统有线测量相关性极好。进一步应用于心脏瓣膜受损泄漏导致血液倒流检测。为了通过检测短暂的回流来检查瓣膜的机械能力，血流传感器必须提供正向和后向流量的测量值。商用流量传感器与无线系统平均误差：正向流动 fe= |f.ble – f.com|= 0.5 ± 0.4 L/min和反向流动0.5 ± 0.4 L/min。猪模型的体内研究涉及在PA内植入多传感模块，并执行血压（PAP; mmHg）和血流速度（PAF; L/min）的传统和无线测量。3D打印平台的半圆形前部允许传感模块滑入切口孔，集成在平台后部的手术夹将模块固定在血管壁上。验证植入式无线心脏血流动力学监测仪与临床PA导管的比较。P.ble（21.2 ± 2.3 mmHg）与 P.com非常吻合（19.9 ± 3.6 mmHg。结果也显示了具有生理意义的波形。其中上冲程代表心室收缩，并在收缩压对应的收缩期峰值达到顶峰。随着心室松弛，其压力降低，导致瓣膜关闭并产生以双裂口为代表的反射压力波。结果证明了大型动物临床应用的质量与能力，从而将该技术确立为实时监测血流动力学状态的一种选择。这种无线血流动力学监测技术可以与心脏附近目标部位的各种医疗植入物（如手术夹、血管内支架和心脏瓣膜假体）集成。作为具体示例，将模块与可膨胀金属支架集成并安装在导管尖端放气的球囊上。使用心脏直视心肺旁路手术植入绵羊的主动脉和左心室。使用无线监护仪（.ble）和带一次性压力传感器的静脉导管（.com）分别监测体内心血管压力，同时测量左心室和主动脉压（LVP 和 AP）。注射去氧肾上腺素增加LVP.ble 和 AP.ble 峰值从 84 和 62 mmHg 到 167 和 110 mmHg，而 LVP.com 和 AP.com 分别增加为 86 和 71 mmHg 到 172 和 121 mmHg。硝普钠降低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。同时评估心室和主动脉压（如 LVP 和 AP）有助于诊断心脏瓣膜疾病，例如将左心室与主动脉分开的主动脉瓣 （AV） 异常。房室开口变窄会阻碍从左心室到主动脉的血流，因此需要增加ΔP才能将血液泵入主动脉。在心室射血期间LVP 超过 AP，产生峰值差值倍临床和无线设备检测为 52.3 mmHg 和 43.5 mmHg，收缩期差值分别为 32.9 mmHg 和38.1 mmHg。这些结果表明，集成模块能够监测心血管状态和诊断瓣膜性心脏病或瓣膜假体故障，压力测量对于评估生物瓣膜的性能至关重要。因此，将压力传感器和流量传感器集成到设备中可以在术后（甚至是非卧床）持续监测瓣膜的性能。作者团队此处报告的无线实时准确连续测量血压、流速和温度的植入式传感器。该技术的植入式部分结合了一个传感器模块，该模块提供动脉/心室压、血流速率和血液温度的电阻测量，一个包含电压稳定集成电路和无线电线圈的电子模块，以及一个带有AFE电路的BLE SoC，用于将数据无线传输到外部设备。外接穿戴设备包括电池、充电电路和发射器线圈，用于将电力传输到植入物。整个系统提供临床级数据，无需物理束缚，其植入与穿戴设备的设计可以在医院环境之外使用，作为心力衰竭和中风风险增加的患者个性化、及时管理策略的基础。可以配置简单的数据分析策略来激活警报，以提醒用户做出适当的响应，以避免心绞痛或瓣膜狭窄的风险。其他潜力在于在正常活动期间对患者进行持续监测，以诊断心脏疾病并评估相关治疗。其他未来机会在于与各种医疗设备（如支架、夹子和人工瓣膜）集成，以准确估计血流动力学参数或监测植入物的功能。在血液接触装置的所有情况下，稳定性和长期生物相容性是用于人类的主要要求。受控表面特性（如表面电荷、几何形状和润湿性）的工程方法可以进一步提高长期生物相容性，以克服血液凝固问题。具有节能和面积效率式的WPT方法可能允许将设备植入体内深处，而不受内部功率衰减的限制。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
