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機(jī)器之心編譯

機(jī)器之心編輯部

來自美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)為心臟病患者開發(fā)了一種可溶解的智能起搏器，并與可穿戴的傳感器網(wǎng)絡(luò)相連，全面監(jiān)測患者心律，預(yù)計(jì)將在 5 年內(nèi)投入臨床使用。

進(jìn)行心臟血管手術(shù)后，許多患者需要一個(gè)臨時(shí)起搏器來幫助他們穩(wěn)定心率。該裝置由一個(gè)脈沖發(fā)生器、一根或多根絕緣導(dǎo)線以及每根導(dǎo)線末端的電極組成。脈沖發(fā)生器是一個(gè)有金屬外殼，包含小型計(jì)算機(jī)和電池的電子電路，它負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)發(fā)送到心臟的脈沖。電線的一端連接脈沖發(fā)生器，另一端連接的電極則放置在心臟的一個(gè)腔室內(nèi)。

但傳統(tǒng)的臨時(shí)起搏器存在幾個(gè)問題：脈沖發(fā)生器限制了患者的活動(dòng)能力，并且必須通過手術(shù)來更換或移除起搏器，這可能導(dǎo)致感染、移位、組織撕裂或損壞、出血和血栓等并發(fā)癥。

去年，來自美國西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種溶解式起搏器，讓患者可以在不受外部硬件束縛的情況下正常生活。該起搏器厚度為 250 微米，重量不到半克，最關(guān)鍵的是可以溶解在患者體內(nèi)，無需手術(shù)移除。

今年 5 月，該研究團(tuán)隊(duì)又推出了升級版智能起搏器，它可以與該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)相連。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活柔軟，穿戴在身上可以監(jiān)測各種生理功能，以幫助起搏器確定何時(shí)以何種速度為心臟起搏。整個(gè)起搏系統(tǒng)是完全自主的。

值得注意的是，這種溶解式起搏器在溶解時(shí)還會(huì)釋放出一種消炎藥。開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員，西北大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授 Igor Efimov 介紹道：「任何類型的外來硬件被植入人體時(shí)，細(xì)胞都會(huì)攻擊這個(gè)外來物體，釋放抗炎藥將阻止身體排斥起搏器。」

這套智能設(shè)備在植入人體后立即開始溶解，但每個(gè)設(shè)備都將為特定患者專門設(shè)計(jì)和制造。例如患者需要持續(xù)使用起搏器兩周，則研究團(tuán)隊(duì)會(huì)將其設(shè)計(jì)成在所需時(shí)間內(nèi)（約兩周）保持其完整性的設(shè)備。該設(shè)備尚未供人們實(shí)際使用，但 Efimov 預(yù)計(jì)它將在未來 5 年內(nèi)提供給患者。

該智能起搏器的外殼是由可生物吸收的聚氨酯制成的，材料薄、柔軟且柔韌。「由于起搏器要植入心臟表面，因此這些材料特性至關(guān)重要」，研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、IEEE Fellow John Rogers 說道。

起搏器的內(nèi)部一側(cè)是接收天線，另一側(cè)是傳輸線圈。它們通過蛇形射頻二極管連接。起搏器的正上方有一個(gè)連接到患者胸部的小型無線貼片，電極則位于貼片與皮膚直接接觸的一側(cè)，貼片內(nèi)部還有一個(gè)小電池和一個(gè)傳輸線圈。電極負(fù)責(zé)記錄患者的心電圖 ( ECG ) 并幫助調(diào)節(jié)發(fā)送到心臟的脈沖。

智能起搏器在體內(nèi)自行溶解。

貼片中的傳輸線圈和起搏器無線耦合。電池產(chǎn)生的振蕩磁場在貼片線圈中感應(yīng)出電流，然后電流會(huì)進(jìn)入起搏器中的線圈，為設(shè)備供電并控制心臟起搏率。如果起搏器檢測到患者的心率下降到某個(gè)頻率以下，它會(huì)激活貼片中的傳輸線圈，為起搏器提供動(dòng)力，使其能夠?qū)⒒颊叩男穆驶謴?fù)到健康水平。

連接到患者胸部的小型無線貼片負(fù)責(zé)記錄患者的心電圖，然后將其發(fā)送到移動(dòng)應(yīng)用程序，供醫(yī)生使用。該智能起搏器內(nèi)部的接收天線負(fù)責(zé)收集患者心率數(shù)據(jù)，并使用近場通信技術(shù)（NFC）將其發(fā)送到移動(dòng)應(yīng)用程序上，供醫(yī)生監(jiān)測。

雖然可以根據(jù)心電圖結(jié)果來衡量患者的心臟跳動(dòng)速度，但身體活動(dòng)、患者的血型和靜息心率等外部因素也會(huì)影響心律。因此，研究團(tuán)隊(duì)又開發(fā)了一個(gè)可穿戴的傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)測患者的體溫、氧氣水平、呼吸、身體活動(dòng)、肌肉張力等。

目前，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)包括三個(gè)部分：胸部、前額和頸部。起搏器的系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析這些傳感器收集的數(shù)據(jù)，如果檢測到心律異常，起搏器將改變心率脈沖。