去年夏天，美國西北大學的科學家們推出了有史以來第一個瞬態起搏器–一種完全可植入的無線設備，在不再需要時可無害地在體內溶解。現在，他們推出了一個新的智能版本，它被整合到一個由放置在上半身周圍的無線、柔軟、靈活、可穿戴的傳感器和控制單元組成的協調網絡。
這項研究於5月27日發表在《科學》雜誌上。這項工作由西北大學的 John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi Arora領導。
這些傳感器相互通信，持續監測身體的各種生理功能，包括體溫、氧氣水平、呼吸、身體活動、肌肉張力和心臟的電活動。
然後，該系統使用算法自動分析這些綜合活動，以自主檢測異常的心律，並決定何時以何種速度進行心臟起搏。所有這些信息都流向智能手機或平板電腦，因此醫生可以遠程監控他們的病人。
新的瞬態起搏器和傳感器/控制網絡可用於心臟手術后需要臨時起搏或正在等待永久起搏器的患者。起搏器以無線方式從網絡內的一個節點獲取能量–這是一個小型的無線設備，可以柔軟地貼在病人的胸部。這項技術消除了對外部硬件的需求，包括電線。
為了使該系統能夠與病人“溝通”，研究人員加入了一個小型的、可穿戴的觸覺反饋裝置，可以穿戴在身體的任何地方。當傳感器檢測到一個問題（如電池電量不足、設備位置不正確或起搏器故障）時，觸覺設備會以特定的模式振動，提醒佩戴者並告知他們這個問題。
“這標誌着我們首次將柔軟的、可穿戴的電子產品與瞬態電子平台配對，”Rogers說。“這種方法可以改變病人接受護理的方式，提供對基本生理過程的多模式、閉環控制–通過傳感器和刺激器的無線網絡，其運作方式受到控制生物體內行為的複雜、生物反饋迴路的啟發。”
“對於臨時心臟起搏，該系統使病人擺脫了使他們被限制在醫院環境中的監測和刺激裝置。相反，病人可以在自己家裡舒適地康復，同時保持由醫生遠程監控帶來的安心感。這也將降低醫療保健的成本，並為其他病人騰出醫院的床位。”
Efimov說：“在目前的情況下，臨時起搏器需要一根連接到刺激心臟的外部發電機的導線。當心臟重新獲得適當的自我刺激能力時，必須將電線拔出。正如你可能想象的那樣，拔出連接到心臟的電線是一個相當戲劇性的過程。我們決定從一個不同的角度來處理這個問題。我們創造了一種起搏器，它可以簡單地溶解，不需要被移除。這就避免了拔出電線的危險步驟。”
“目前的起搏器相當智能，對病人不斷變化的需求反應良好，”Arora說。“但是，可穿戴模塊可以完成傳統起搏器所做的一切，甚至更多。病人基本上在胸前戴上一個小貼片，並獲得實時反饋來控制起搏器。不僅起搏器本身是生物可吸收的，它還由一個柔軟的可穿戴貼片控制，使起搏器能夠對通常的生活活動做出反應，而不需要植入傳感器。”
Rogers是麥考密克工程學院和西北大學范伯格醫學院材料科學與工程、生物醫學工程和神經外科的路易斯-辛普森和金伯利-奎雷教授，以及奎雷-辛普森生物電子學研究所（QSIB）的主任。Efimov是麥考密克的生物醫學工程教授和芬伯格的醫學（心臟病學）教授。Arora是費恩伯格的醫學教授，也是心律失常研究中心的聯合主任。
連接“身體區域網絡”
作為生物電子學的先驅，Rogers和他實驗室的研究人員近二十年來一直在開發柔軟、靈活的無線可穿戴設備，以及生物可移植電子技術。在新研究中，Rogers和他的合作者將他們的生物可吸收無鉛起搏器與四種不同的皮膚接口設備結合併協調起來，共同工作。安裝在皮膚上的設備是柔軟的、有彈性的，使用后可以輕輕剝離，不需要通過手術切除。起搏器在使用一段時間後會在體內自然溶解。
這個“身體區域網絡 ”包括：
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一個無電池的瞬態生物可吸收起搏器，用於暫時為心臟起搏；
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一個位於胸部的心臟模塊，為植入的心臟起搏器提供電源並控制刺激參數，以及感知心臟的電活動和聲音；
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位於前額的血液動力學模塊，用於感知脈搏氧飽和度、組織氧飽和度和血管張力；
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位於喉嚨底部的呼吸模塊，監測咳嗽和呼吸活動；
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一個多觸覺反饋模塊，以各種模式振動和脈衝，與病人“交流”。
“我們想證明有可能部署多種不同類型的設備，每個設備都以無線協調的方式在全身執行基本功能，”Rogers說。“有些是傳感的。有些是提供電力。有些是刺激性的。有些是提供控制信號。但它們都在一起工作，交換信息，根據算法做出決定，並對不斷變化的條件做出反應。多個生物電子裝置相互交談並在不同的相關解剖位置發揮不同功能的願景是一個前沿領域，我們將在未來繼續追求。”
自從一年前西北大學的瞬態起搏器首次推出以來，研究人員已經進行了多項改進，以推進該技術。以前的設備是靈活的，而新設備是靈活的、有彈性的，使其能夠更好地適應心臟跳動的變化。另一個新的好處是：隨着瞬態起搏器緩慢而無害地溶解，它現在釋放出一種抗炎藥物以防止異物反應。
也許最有影響的進展是該設備能夠根據病人的需要，按需提供起搏。與起搏器同步，安裝在胸前的心臟模塊實時記錄心電圖以監測心臟活動。在這項研究中，研究人員將這種無線技術與黃金標準的心電圖進行了比較，發現它與臨床級系統一樣準確和精確。
Efimov解釋說：“心臟模塊實際上是告訴起搏器對心臟施加刺激。如果恢復了正常活動，那麼它就停止起搏。這很重要，因為如果你在沒有必要的時候刺激心臟，那麼你就有可能誘發心律失常。”
“起搏系統是完全自主的，”Rogers實驗室的博士后研究員、該論文的第一作者之一Yeon Sik Choi說。“它可以自動檢測問題並應用治療。它很容易，而且自成一體，對外部的需求最小。”
對新生兒來說足夠溫和的保健服務
Rogers、Efimov、Arora和他們的團隊認為他們的系統對最脆弱的病人最有利。每年，大約有4萬名嬰兒出生時，在分隔心臟上腔的壁上有一個洞。其中約有1萬個病例有生命危險，需要立即手術。手術后，100%的嬰兒都會收到一個臨時起搏器。
“好消息是這是一個暫時的狀況，”Efimov說。“大約五到七天後，心臟恢復了自我刺激的能力，不再需要起搏器。多年來，拆除起搏器的程序已經有了很大的改進，所以併發症的發生率很低。但是我們可以把這些嬰兒從連接到外部發電機的電線中解放出來，使他們不再需要第二次手術。”