智能溶解式起搏器与身体区域传感器和控制网络通信

去年夏天，西北大学的研究人员首次推出了瞬态起搏器——一种完全可植入的无线设备，在不再需要它后，它会无害地溶解在体内。现在，他们推出了一种新的智能版本，它集成到一个由四个柔软、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分布在上身周围。

这项研究将于周五(5月27日)发表在该杂志上科学．这项工作由西北大学的John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi Arora博士领导。

这些传感器相互通信，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、体育活动还有心脏的电活动。

然后，该系统使用算法来分析这种联合活动，以便自主检测心脏节律异常，并决定何时为心脏起搏以及以何种速率起搏。所有这些信息都被传输到智能手机或平板电脑上，这样医生就可以远程监控他们的病人。

新的暂态起搏器传感器/控制网络可用于术后需要临时起搏的患者心脏手术或者在等待永久性心脏起搏器。起搏器通过无线方式从网络中的一个节点获取能量，这个节点是一个小型的无线设备，轻柔地附着在病人的胸部。这种技术不需要外部硬件，包括电线(或导线)。

为了使系统能够与患者交流，研究人员集成了一个小型的可穿戴触觉反馈设备，可以佩戴在身体的任何地方。当传感器检测到问题(比如电池电量不足、设备放置不正确或起搏器故障)时，触觉设备会以特定的模式振动，提醒佩戴者并告知他们问题。

专家见解

罗杰斯说:“这标志着我们首次将软可穿戴电子设备与瞬态电子平台相结合。”“这种方法可以改变病人接受治疗的方式，通过一个由传感器和刺激器组成的无线网络，对基本的生理过程进行多节点、闭环控制，这些传感器和刺激器的运行方式受到控制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，该系统将患者从监控和刺激设备中解放出来，将他们限制在医院环境中。相反，患者可以在舒适的家中康复，同时在医生的远程监控下保持内心的平静。这也将降低医疗成本，为其他病人腾出病床。”

Efimov说:“在目前的情况下，临时起搏器需要一根连接到外部发电机的电线来刺激心脏。”“当心脏恢复了适当刺激自己的能力时，电线就必须拔掉。你可以想象，拔出连接心脏的电线是一个非常戏剧性的过程。我们决定从不同的角度来处理这个问题。我们发明了一种心脏起搏器，它可以自行溶解，不需要移除。这样就避免了拔出电线的危险步骤。”

阿罗拉说:“目前的心脏起搏器相当智能，能够很好地应对患者不断变化的需求。”“但可穿戴模块可以做传统起搏器所做的一切，甚至更多。病人只需在胸前佩戴一个小贴片，就能得到实时反馈来控制起搏器。起搏器不仅本身具有生物可吸收性，还由柔软的可穿戴贴片控制，使起搏器能够对日常生活活动做出反应，而不需要植入传感器。”

罗杰斯是西北大学麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯·辛普森和金伯利·奎雷教授，也是奎雷·辛普森生物电子学研究所(QSIB)的主任。Efimov是一位教授生物医学工程他是麦考密克大学的医学教授(心脏病学)。阿罗拉是范伯格医学院的医学教授，也是心律失常研究中心的联合主任。

“局域网”

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、无线可穿戴设备和生物可吸收电子技术。在这项新的研究中，罗杰斯和他的合作者将他们的生物可吸收无铅起搏器与四种不同的皮肤接口设备结合并协调起来，共同工作。安装在皮肤上的设备柔软、灵活，使用后可以轻轻剥离，无需手术移除。在需要一段时间后，心脏起搏器会在体内自然溶解。

“身体区域网络”包括:

• 一种无电池的短暂的、生物可吸收的起搏器，可以暂时为心脏起搏;
• 位于胸部的心脏模块，为植入的起搏器提供动力和控制刺激参数，并感知电活动和心脏的声音;
• 一个放在额头上用来感知的血液动力学模块脉搏血氧测量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;而且
• 一个多重触觉反馈模块，以各种模式振动和脉冲与患者沟通。

罗杰斯说:“我们想证明，部署多种不同类型的设备是可能的，每种设备都以无线协调的方式在全身执行基本功能。”“有些人有感觉。其中一些正在输送电力。有些是刺激的。有些提供控制信号。但它们都在一起工作，交换信息，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的功能，这是我们未来将继续追求的前沿领域。”

新的进步，随需应变的节奏

自从西北大学的瞬态起搏器在一年前首次推出以来，研究人员已经对这项技术进行了多项改进。以前的设备是灵活的，而新设备是灵活的而且有弹性，使它能更好地适应心脏跳动的变化。

新版本还使用了罗杰斯和埃菲莫夫实验室开发的生物相容性粘合剂。这种粘接剂可以使这种轻便、薄的设备在不需要缝线的情况下轻轻贴合在心脏表面。另一个新的好处是:随着短暂起搏器缓慢而无害地溶解，它现在会释放一种抗炎药物来防止异物反应。

也许最具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。

Efimov解释说:“心脏模块实际上是告诉起搏器对心脏施加刺激。“如果恢复正常活动，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，就有可能引发心律失常。”

“这种起搏系统是完全自主的，”罗杰斯实验室的博士后、该论文的共同第一作者崔妍植(Yeon Sik Choi)说。“它可以自动发现问题并进行治疗。它简单、独立，外部需求最小。”

对新生儿的护理足够温和

罗杰斯、埃菲莫夫、阿罗拉和他们的团队认为，他们的系统对最脆弱的患者最有益。每年，大约有4万名婴儿出生时，心脏上部心室之间的壁上有一个洞。其中约有1万例危及生命，需要立即手术。手术后，100%的婴儿都会接受临时起搏器。

Efimov说:“好消息是这是暂时的。“大约5到7天后，心脏恢复了自我刺激的能力，不再需要起搏器。多年来，移除心脏起搏器的手术已经有了很大的改进，所以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，使他们不需要第二次手术。”

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