2021年2月25日功能

无线，可植入导管式血氧计设计的心脏氧饱和度

Thamarasee Jeewandara，《医疗快讯bob游戏》

无线，可植入导管式血氧计设计的心脏氧饱和度
植入式无线导管血氧计，用于实时监测外科手术过程中的心脏生理学。(A)使用植入装置在心脏表面附近进行无线血氧饱和度测量的示意图。该系统由导管式血氧计组成，其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收集和无线数据传输。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)装置设计的爆炸视图示意图。(B)电子模块包含五层:底部弹性基板、柔性PCB、电子组件集合、锂离子电池和顶部弹性封装。(C)放大后的图像为传感器探头，由柔性PCB、光刺激和传感组件、光阻断模块组成。该探针的直径为1.5毫米，完全包裹着透明的、生物兼容的硅胶。(D)包裹在玻璃棒上的导管血氧计图像。(E)未封装的电子模块图像。 (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

实时监测血管内氧含量对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会造成血管损伤、血栓形成和感染的风险。电力供应系统的物理系绳会限制重症监护病房的行动自由。在一份新的报告中科学的进步在美国、中国、韩国和意大利的多学科研究中，Lu Wei和一个国际研究团队介绍了一种无线、微型化和可植入的光电导管系统。该装置包括光学元件的探头，封装在柔软的生物兼容材料。该探针灵活、生物兼容的结构代表了形成高性能、患者友好型血氧计的关键特征，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为体内的组织和细胞提供氧气，并在氧的输送和消耗之间保持足够的平衡细胞生理功能。对心内直视手术后特定心包内和主要血管饱和度进行准确、实时的监测是治疗心内直视手术后心内特定心包内和主要血管饱和的关键青色性先天性心脏缺陷。可穿戴式血氧计和临床脉搏血氧计可捕捉全身氧合情况。在重症监护病房(ICU)设置中，光纤氧含量测定导管可用于连续监测血氧饱和度水平。在现有的光纤导管血氧测量中，临床医生将硬玻璃纤维波导连接到传感模块将来自外部光源的光传输到导管尖端的血液，以便将部分背散射光传输回外部单元进行检测。该装置可连接到包含显示监视和控制软件。在这项工作中介绍的平台包含一个薄的，灵活的导管型光电探测器连接到一个小型可穿戴电子模块，用于无线连续实时测量血管内氧含量，精确度达到临床级别。

无线，可植入导管式血氧计设计的心脏氧饱和度
光学、热和电子特性。(A)用于传感器探针的红色和近红外led发光的光谱特性。这些led(峰值波长为645和950 nm)覆盖了Hb和HbO2的反向吸收光谱的部分。(B)测量光电流作为红色和近红外led输入电流的函数，将传感器探针植入生肉。实验设置如图S3所示。(C)心脏组织中近红外和红色led归一化发射强度谱空间分布的蒙特卡罗模拟。(D)顶部放置导管探头的成人手臂皮肤温度分布的热图像。(E)血氧计传感器探头在工作过程中的测量温度，激活1分钟，失活4分钟。传感器诱导温度的最小上升(小于0.08°C)。(F)在红色和近红外led和ADC采样的驱动时钟序列中，放大器电路的测量光电压输出随时间的函数。缩小led的驱动脉冲有效地降低了功耗，延长了电池寿命。 (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

该设备的探针尖端包含高性能、小型化发光二极管(led)和光电二极管(PD)，完全封装为医用级、柔软、透明的硅酮弹性体。该电子模块支持可充电电源、电路控制和通过蓝牙协议进行无线数据通信。在ICU监控显示的智能手机或平板电脑上部署图形用户界面(GUI)，实现了测量数据的实时可视化存储和分析。这些结果代表了无线光电技术在心脏病学中的重要进展。该平台被医用硅胶层完全封装，包含三个主要组件:

  • 一种具有光电传感器的低模量柔性导管，其中包含两个发射波长为645和950 nm的发光二极管和一个硅酮光电二极管。
  • 可弯曲，小型化的蓝牙电子模块，用于轻柔地安装在皮肤上
  • 上部署的定制GUI支持实时可视化存储和数据分析，为led照明参数提供控制接口。
无线，可植入导管式血氧计设计的心脏氧饱和度
机械封装和生物相容性特性。(A)测量的三个导管探头的杨氏模量(插入图像;鳞片，2厘米)封装三种不同的生物相容性硅胶弹性体(分别标记:MED-1040, MED-1000和MED-1037)。三种导管探头的杨氏模量范围为800 ~ 1700千帕。(B)测量三个导管探头的弯曲刚度(A)，导管探头由相对坚硬的铜线封装MED-1000制成，商用光纤导管(Swan Ganz 777F8, Edwards LifeSciences Inc.)。弯曲刚度分别为1.6、1.8、2.3、20和243 N/mm2。(C)传感器探头和导管分别在22和27 mm弯曲半径下的有限元建模。(D)从导管探头测得的光电压作为压缩和弯曲循环的函数。实验细节见图。S7和S8。 The photovoltage generated from the photodetector corresponds to operation of the two LEDs (peak wavelengths of 645 and 950 nm, respectively) at the tip of the catheter probe. 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一台个人电脑上。

光学、热和电特性

科学家们使用著名的光学方法来定义氧合血红蛋白(HbO)的分数，提供了有效的血氧饱和度估计2)相对于总血红蛋白(HbO2+脱氧血红蛋白- hb)，通过比较氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白在可见光和近红外光谱范围内的吸收光谱。利用在645纳米和950纳米处的巨大差异，科学家们建立了血液氧合的光学测量基础。Lu等人测量了光在生物组织中的传输物理蒙特卡洛法。研究结果对led周围的照度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文献中发现的。虽然该设备在按压指尖皮肤时起作用，但Lu等人通过红外相机获得了热图像，没有显示该区域的温度明显升高。科学家每五分钟测量一次，持续五秒。

无线，可植入导管式血氧计设计的心脏氧饱和度
血氧饱和度测量的性能特征。(A)比较商用导管血氧计(Swan Ganz 777F8, Edwards生命科学公司)和这里介绍的设备的光发射轮廓。(B)商用导管血氧计与本文介绍的装置在测量不同HbO2和Hb比例的血液中氧饱和度时的比较。插入图像显示了无线导管探头和商用光纤导管的对比(刻度条，1厘米)。(C)将装置放在成人食指上测量的脉搏信号。(D)基于光电信号的脉搏血氧仪计算算法流程图。(E和F)在休息、屏气和休息期间测量SpO2 (E)和HR (F)。结果与商业血氧测定仪(通用电子公司)得到的结果一致。附加实验的结果见图S17。(G和H) Bland-Altman图。 (G) SpO2 from finger (four subjects, 801 points). (H) HR from finger (4 subjects, 801 points). Credit: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.abe0579
机械特性和封装性能

该装置的机械性能最大限度地减少了对邻近生物组织的机械力，提高了生物相容性。人类皮肤通常保持一种杨氏模量或刚度在400至800千帕之间，人体心肌的杨氏模量约为100千帕。蓝牙模块包含生物兼容的硅胶封装，杨氏模量在人类皮肤的范围内。研究小组使用了三种导管氧饱和度测量探头，与生物兼容的硅胶具有不同的杨氏模量值。结果结构的弯曲刚度是探头的50倍。该探头可以很容易地与心肌共形变形，机械载荷可以忽略不计，对心脏没有相关损伤，尽管它的模量更大。Lu等人将该装置植入小鼠模型脊柱附近的背部皮下，并进行了实验计算机断层扫描两周后。然后，研究小组对植入了植入物的小鼠进行了30天的全血细胞计数和血液化学测定，结果显示没有器官损伤的证据，也没有对电解质或酶平衡产生有害影响。

台架试验和体内研究

无线，可植入导管式血氧计设计的心脏氧饱和度
在啮齿动物模型中实时监测心脏生理的活体演示。(A)在大鼠心脏周围放置导管血氧测定仪的3D示意图，并将无线模块置于其背部。(B)用该系统捕获的信号波形。修改与支持呼吸的呼吸机相关的设置，可以访问不同的心脏状况(标记为正常、缺氧和心律失常)。(C)心脏活动的测量(搏动模式，HR和RR)。(D)测量心脏的氧合。诱发的心脏脉搏血氧饱和度(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。分析仪测量从左心室采集的血液样本，而无线导管血氧计在采集血液样本后立即测量心脏表面的氧饱和度。来源:《科学进展》，doi: 10.1126/sciad .abe0579

主要的心脏手术依赖于静脉氧饱和度(动宾2),中心静脉氧饱和度(ScvO2)使用光纤血氧计来指导护理。这种设备可以经静脉植入，以支持外部光源的光传输，通过拴在病人床边设备上的探测器来感知。该团队使用不同氧水平的马血进行了实验室测试，并将其与商业系统进行了比较。实验结果显示了SvO的测量能力2和ScvO2跨越相关范围。该方法可用于儿童心脏手术和恢复，实时监测早期和术后危重期血管内氧饱和度水平。Lu等人对大鼠模型进行了实验，该装置捕捉到了心率、呼吸频率(RR)、缺血和心律失常的变化。该团队还测量了以及实验过程中的呼吸频率。高相关性表明该装置在实时氧合监测中具有足够的灵敏度和准确性。

前景

通过这种方式，Wei Lu和他的同事们使用了一种灵活的、薄的导管式血氧计来实时准确地监测静脉和心脏的氧合水平。结果表明，在毫米尺度的无线光电平台检测大鼠心脏直视手术时的心脏氧饱和度。他们探索了该设备在监测主要血管氧含量方面的潜力，并期望在模拟患者开胸心脏手术的大型动物模型中对氧饱和度检测的效率和可靠性进行进一步研究。

进一步探索

当前的智能手机技术能告诉你流行病何时可能来临吗?
更多信息:刘伟等。无线，可植入导管式血氧计设计用于心脏氧饱和度，科学的进步，DOI: 10.1126 / sciadv.abe0579

McGee d.c.等人。预防中心静脉置管并发症。新英格兰医学杂志。10.1056 / NEJMra011883

Lee K.等人。通过放置在胸骨上切槽处的软无线装置对生理过程和身体运动进行机械声学感知，生物医学工程，doi.org/10.1038/s41551 - 019 - 0480 - 6

期刊信息: 科学的进步 ，新英格兰医学杂志 ，生物医学工程

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引用:用于心脏氧饱和度的无线植入式导管式血氧计(2021年2月25日)，2021年5月21日从//www.pyrotek-europe.com/news/2021-02-wireless-implantable-catheter-type-oximeter-cardiac.html检索
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