清华大学航院研发了新一代全柔性无线无源心脏起搏器

9月29日，清华大学航天航空学院柔性电子技术研究中心冯雪课题组在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表了题为《柔性可延展的超声能量传输及通讯系统》（“A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication”）的论文，描述了一种新型超薄超柔无源无线的心脏起搏器，植入体内后可自动对心脏的跳动进行实时精确的分析，并在心脏异常跳动时给与及时有效的电刺激治疗以实现心脏跳动再同步恢复。此外，该器件可基于超声波同步实现无线能量输送以及无线数据传输，并与人体组织器官良好兼容。相较于传统的心脏起搏器，该系统可解决在体内的能源续航及供应难题，建立了一套集远程生理监测、体内智能分析、精准治疗于一体的新型综合解决方案，为植入式心脏起搏器的设计提供了一条新途径，有着重要的临床应用潜力。

超声波供能及通信器件的应用场景及器件展示

据世界卫生组织统计，2016年约有1790万人死于心血管疾病（CVD），占全球非传染性疾病死亡总数的44%，其中85%死于心脏病和中风1，死亡率远高于其他三类非传染性疾病（癌症22%、慢性呼吸道疾病9%、糖尿病4%），可见心血管疾病已成为威胁人类健康的主要杀手，而心律失常作为心血管疾病中重要的一组疾病，理应受到重视。起搏器成为临床最为有效、且可根治心动过缓所致晕厥或猝死的唯一有效方法，世界卫生组织提出的心血管治疗方案中就有心脏起搏器植入这一项。然而，现有心脏起搏器等植入式医疗器械存在电池寿命有限、手术更换电池会带来二次手术风险等缺陷。此外，为了延长使用周期，需要用到大体积的电池，造成现有设备体积大，材质硬，在植入后往往会引起患者的不适，甚至有时会造成生理排斥反应。传统起搏器应用过程中，起搏器囊袋、导线相关并发症的发生率高达10％～20％。

生物环境下器件的超声波通信实验

针对上述问题，冯雪课题组基于超声波所具有的生物相容性好、波长短、换能器小、组织穿透距离深和能量转化效率高等技术优势，结合柔性超声技术和柔性电路技术，研发了一种基于柔性超声技术的无线无源心脏起搏器。该器件兼顾换能器尺寸小型化的优势和高效的能量传输性能，其在植入体内后，可接收超声波的机械能并将之转换为电能使系统工作。系统内置传感、计算分析等模块，可实时监测体内生理状态信息，并将采集的生理信息通过超声波编码进行无线数据传输，实现了高精度的无线生理遥测功能，数据传输误差低至0.3%。相比于传统商用心脏起搏器，该器件的体积缩小了28倍，且突破性地实现了基于超声波的无线供能及无线通信功能。柔性可延展的力学设计和轻薄柔软的高生物兼容性封装，使得该植入式器件具备最大超过20%的延展性（超过人体组织的延展性），在长期监护过程中给患者带来极大的舒适性且大大减小了并发症风险。

在体心脏起搏动物实验

冯雪教授课题组还开展了在体心脏起搏动物实验。在实验中，柔性超声起搏器使用一种高灵敏度的超薄柔性压电薄膜传感器（PVDF传感器）来采集心脏跳动的振动信号，并以该振动信号作为心脏跳动的分析数据，根据预编入的程序判断心脏的跳动状态，当监测出异常跳动（这里使用心脏停搏作为异常心跳模型）时给与心脏电刺激作为电学治疗以实现心脏跳动再同步化的治疗目的。柔性超声起搏器被植入在动物胸部区域的皮下部位，以避开超声波在传播中可能会因遇到高声阻抗的生物组织（如肺叶和骨骼）而使得能量传输效率降低的问题。在器件被植入后，动物胸腔再次被缝合，体外发射超声波以激活体内柔性超声起搏器开始工作，同时使用商用心电设备采集动物心电信号。这里，使用兔子作为实验动物，采集的心电信号符合兔子正常心电特征（频率为3-4Hz，且存在标准的P波特征波形），说明器件可以识别兔子正常的心跳规律并且不存在异常放电情况。再次打开兔子胸腔，使用交流致颐法成功构建了兔子的心脏停搏模型，兔子心电图显示为一条直线。缝合兔子胸腔，再次从外部发射超声波以激活体内柔性超声起搏器，同时采集兔子心电信号，心电图显示出柔性超声起搏器的电刺激特征波形，可以说明该柔性超声起搏器能准确的识别出兔子的异常心跳，并且及时地执行电刺激治疗动作。

清华大学航院博士生金鹏为文章第一作者，付际博士对该工作提供了重要的系统框架设计和实验支持，冯雪教授是论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

P. Jin, J. Fu, F. Wang, Y. Zhang, P. Wang, X. Liu, Y. Jiao, H. Li, Y. Chen, Y. Ma, X. Feng, A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication. Sci. Adv. 7, eabg2507 (2021).

本期策划：沈雳

责任编辑：凌武娟

本文作者：金鹏

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