2021年2月25日,功能

无线，可植入导管型血氧仪，专为心脏氧饱和而设计

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无线，可植入导管型血氧仪，专为心脏氧饱和而设计
植入式无线导管血氧仪用于外科手术过程中心脏生理的实时监测。(A)心脏表面附近无线血氧测量植入装置的使用示意图。该系统由一个导管式血氧仪组成，传感尖端缝合在心脏表面，与附着在皮肤上的电子模块连接，通过蓝牙协议进行信号采集和无线数据传输。自定义GUI在计算机上显示和记录数据，并作为设备的控制接口。(B和C)设备设计爆炸图示意图。(B)电子模块包含五层:底部弹性体基板，柔性PCB，一组电子元件，锂离子电池和顶部弹性体封装。(C)放大图像显示传感器探头，由柔性PCB、光刺激和传感组件和光阻塞模块组成。该探针直径为1.5毫米，完全封装了透明的、生物相容的硅胶。(D)环绕玻璃棒的导管血氧计图像。(E)未经封装的电子模组图像。 (F) Image of a catheter-type oximetry sensor. (G) Schematic block diagram of the system. Photo credit: Wei Lu and Wubin Bai, Northwestern University. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abe0579

实时监测血管内氧水平对于准确跟踪心胸外科术后患者的心肺健康状况具有重要意义。现有的方法使用血管内放置玻璃光纤导管这会造成血管损伤、血栓形成和感染的风险。供电系统的物理束缚会限制重症监护病房的活动自由。现在有一篇新的报道科学的进步美国、中国、大韩民国和意大利等国的多学科研究人员共同研发了一种无线、微型化、植入式光电导管系统。该装置在探针上包括光学元件，由软的生物兼容材料封装。灵活、生物兼容的探针结构代表了一个高性能、患者友好的血氧计的关键定义特征，可以实时监测局部组织氧、心率和呼吸活动。该平台提供了与现有化学标准相似的测量精度和精度。

心血管系统

心血管系统输送氧气和营养物质使组织和细胞在体内维持充足的氧气输送和消耗的平衡细胞生理功能。特异性外科和主要血管饱和度的准确性和实时监测过程对治疗患者至关重要紫绀型先天性心脏缺陷。可穿戴式血氧计和临床脉搏血氧计可获取全身氧合情况。在重症监护病房(ICU)，光纤血氧测量导管可连续监测血氧饱和度。使用现有的光纤导管血氧仪，临床医生将硬玻璃纤维波导连接到传感模块以将光形成导管的尖端的外部源，以便将背散射光的一些分数送回到外部单元以进行检测。该装置可以连接到包含a的附加接口显示监视器和控制软件。本工作中引入的平台含有薄，柔性导管型光电探测器连接到小型可穿戴电子模块，用于无线和连续实时测量血管内氧气，临床级精度。

无线，可植入导管型血氧仪，专为心脏氧饱和而设计
光学，热和电子特性。（a）用于传感器探头的红色和NIR LED的光发射的光谱特性。这些LED（645和950nm的峰值波长）覆盖了Hb和HbO2的反向吸收性能的谱的部分。（b）测量光电流作为红色和NIR LED的输入电流的函数，传感器探针注入到生肉中。实验设置出现在图2中。S3。（c）从心脏组织中NIR和红色LED的归一化发光强度谱的空间分布的蒙特卡罗模拟。（d）热图像，显示成年臂的皮肤温度分布，其中导管探针放在顶部。（e）在操作期间测量血氧计传感器探针的温度，在1分钟内激活并在4分钟内去激活。传感器在温度（小于0.08°C）中均匀增加。 (F) Measured photovoltage output from the amplifier circuit as a function of time during a driving clock sequence of red and NIR LEDs and ADC sampling. Narrowing the driving pulses for the LEDs effectively reduces the power consumption and prolongs battery lifetime. (G) Battery voltage as a function of working time. A 45-mAh lithium battery supports operation for at least 22 hours. Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abe0579
设计特点

该器件的探针尖端包含高性能、小型化的发光二极管(led)和光电二极管(PD)，完全封装在医用级、柔软、透明的硅树脂弹性体中。该电子模块支持可充电供电、电路控制和通过蓝牙协议进行无线数据通信。在智能手机或平板电脑上部署ICU监测显示图形用户界面(GUI)，实时可视化存储和分析测量数据。这些结果代表了心脏病学中无线光电子技术的重要进展。该平台完全封装了医用级硅胶层，并包含三个主要组件:

  • 具有光电传感器的低模量柔性导管，其包含两个发光波长为645和950nm的发光二极管和一个有机硅光电二极管。
  • 可弯曲的小型化蓝牙电子模块，用于平缓安装在皮肤上
  • 一个定制的gui部署在一个为了支持实时可视化存储和数据分析，并为LED提供照明参数提供控制接口。
无线，可植入导管型血氧仪，专为心脏氧饱和而设计
机械封装和生物相容性特性。（a）测量三个导管探针的杨氏模胶（INSET图像;鳞片棒，2厘米）包封有三种不同的生物相容性有机硅弹性体（标有三种不同的生物相容的硅氧烷弹性体（标有Med-1040，Med-1000和Med-1037）。三个导管探头的杨氏的模胶在800至1700kPa的范围内。（b）（a）中的三个导管探针的测量弯曲刚度，由封装用Med-1000的相对硬铜线和商业光纤导管（Swan Ganz 777f8，Edwards Lifesciences Inc.）制成的导管探针。弯曲刚度分别为1.6,1.8,2.3,20和243n / mm2。（c）传感器探针和导管分别经受弯曲半径为22和27mm的有限元建模。（d）测量来自导管探针的光电电压作为压缩循环和弯曲的函数。实验细节出现在图1和2中。S7和S8。从光电探测器产生的光电电压对应于在导管探针的尖端处的两个LED（分别为645和950nm的峰值波长）的操作。 a.u., arbitrary units. (E) Measured photovoltage as a function of immersion time in PBS solution at 37°C. Experimental details appear in figs. S10 and S11. The data indicate negligible change in performance over 8 weeks. (F) CT image of the catheter sensor after 2 weeks of implantation. (G and H) Analysis of complete blood count (G) and blood chemistry (H) for mice with an oximetry probe implanted subcutaneously for 30 days (labeled as Experiment) and for mice without device implantation (labeled as Control). Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abe0579

然后该团队使用蓝牙协议将数据无线传输到个人电脑。

光学，热和电学表征

科学家使用众所周知的光学方法来确定氧血红蛋白(HbO)的比例，提供了有效的血氧饱和度估计2)相对于总血红蛋白(HbO2+脱氧杂血吸虫-HB）通过比较可见光和近红外光谱范围中氧杂环蛋白和脱氧血红蛋白的吸收光谱。使用645nm和950nm的巨大差异，科学家建立了血氧光学测量的基础。lu等。使用该测量生物组织中的光运输物理学蒙特卡罗方法。这些结果为led周围的照明分布以及基于人体心肌组织光学特性的光电二极管的光检测提供了定量的见解发现在文学。虽然该设备在按压指尖皮肤时起作用，但Lu等人使用红外摄像机获得了热图像，该图像没有显示该区域的温度明显升高。在持续5秒的时间里，科学家们每5分钟进行一次测量。

无线，可植入导管型血氧仪，专为心脏氧饱和而设计
血氧测量测量的性能特征。（a）商业导管血氧仪（SWAN GANZ 777F8，Edwards Lifescience Inc.）和该装置的发光型材的比较。（b）商业导管血氧仪的比较和此处介绍的装置在测量具有不同比例的HBO2和HB的血液溶液中的氧饱和度。插图图像示出了无线导管探针和商业光纤导管（秤杆，1cm）的比较。（c）从放置在成人的食指上的装置测量脉冲信号。（d）基于光伏信号计算脉冲血氧血管血管血管血管血管仪的算法流程图。（e和f）在休息期间测量spo2（e）和hr（f），然后呼吸持有，然后休息一段时间。结果与商业血氧计（通用电子公司）获得的结果匹配。附加实验的结果出现在图2中。S17。 (G and H) Bland-Altman plots. (G) SpO2 from finger (four subjects, 801 points). (H) HR from finger (4 subjects, 801 points). Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abe0579
机械性能和封装性能

该装置的力学性能最小化了相邻生物组织上的机械力以改善生物相容性。人体皮肤通常保持a杨氏模量或刚度在400和800千帕之间，人体心肌组织肌肉的杨氏模量接近100千帕。该蓝牙模块包含一种生物相容性硅胶，用于封装，其杨氏模量在人体皮肤范围内。该团队使用了三种具有不同杨氏模量值的生物相容性硅胶导管血氧计探头。结构的弯曲刚度是探头的50倍。虽然探头的模量更大，但它可以很容易地与心肌共形变形，且机械负荷可忽略不计，对心脏没有相关损伤。Lu等人将该装置植入小鼠模型背部靠近脊柱的皮下，并进行了实验CT检查两个星期后。然后，该团队将小鼠与植入物一起获得完整的血液数量和血液化学30天，以表明没有对器官损伤或损伤的证据，并且没有对电解质或酶平衡的不利影响。

板凳测试和体内研究

无线，可植入导管型血氧仪，专为心脏氧饱和而设计
在啮齿动物模型中实时监测心脏生理。(A)将导管血氧计放置在大鼠心脏周围，并将无线模块放置在背部的3D示意图。(B)本系统采集的信号波形。修改与支持呼吸的呼吸机相关的设置，可获得不同的心脏状况(标记为正常、缺氧和心律失常)。(C)心脏活动的测量(跳动模式，心率，RR)。(D)测量心脏的氧合。诱导的血氧饱和度(SpO2)变化与呼吸机的变化吻合良好。(E)使用无线导管血氧计和商用血气分析仪测量心脏氧合。分析仪测量左心室的血样，而无线导管血氧计在采集血样后立即测量心脏表面的血氧饱和度。信贷：科学推进，DOI：10.1126 / sciadv.abe0579

重大心脏手术依赖于监测静脉氧饱和度（SVO.2),中央静脉氧饱和度(ScvO2）使用光纤氧化计测量以引导护理。这些装置可以讲稍一种地植入以支持来自外部来源的光学传输，以便与患者中的探测器旋转到床边装置中的检测器。该团队在各种氧气水平使用马血液进行实验室测试，并将那些与商业系统进行比较。结果显示了SVO的测量能力2和ScvO2横跨相关范围。该方法可以在儿科心脏手术和恢复中实施，以实时在早期和关键的操作期间监测血管内的氧饱和水平。lu等。对大鼠模型进行实验，并将设备捕获的HR，呼吸率（RR），缺血和心律失常的变化。该团队还衡量了和实验中的呼吸速率。高度的相关性表明，该装置在实时氧合监测中提供了足够的灵敏度和精度。

前景

通过这种方式，魏鲁和同事使用柔性，薄，导管型血氧仪，实时准确监测静脉和心脏氧合水平。结果表明，在毫米级的无线光电平台，以检测露天手术期间大鼠的心脏氧合饱和度。他们探讨了该装置的潜力，以监测主要血管中的氧气水平，并期望进一步研究大型动物模型中氧饱和检测的效率和可靠性，以模仿患者的开放心脏手术。

进一步探索

目前智能手机技术可以告诉你大流行病吗？
更多信息：刘W.等。无线，可植入的导管型血氧镜设计用于心脏氧饱和度，科学的进步那DOI：10.1126 / sciadv.abe0579

McGee等人。中心静脉置管并发症的预防。新英格兰医学杂志。10.1056 / NEJMra011883

Lee K.等。通过放置在Suprasternal Notch的软无线装置的机械声学传感生理过程和身体运动，自然生物医学工程那doi.org/10.1038/s41551-019-0480-6

期刊信息: 科学的进步 那新英格兰医学杂志 那自然生物医学工程

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引文：无线，可植入的导管型血氧仪，专为心脏氧饱和度（2021，2月25日）从HTTPS://medicalXpress.com/news/2021-02-vireless-implantable-catheter-cardiac of Https://medicalicalxpress.com-无用。HTML.
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