智能的，可溶解的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推出了有史以来第一个瞬时起搏器，这是一种完全可植入的无线设备，当不再需要它时，它会在体内无害地溶解。现在，他们推出了一种新的智能版本，将其集成到一个协调的网络中，该网络由放置在上半身周围的四个柔软、灵活、无线、可穿戴传感器和控制单元组成。

这项研究将发表在周五(5月27日)的杂志上科学．这项研究由西北大学的John A. Rogers, Igor R. Efimov和Rishi Arora博士领导。

传感器之间相互通信，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、体育活动以及心脏的电活动。

然后，该系统使用算法分析这种联合活动，以便自主检测异常心律，并决定何时和以何种速率给心脏起搏。所有这些信息都流到智能手机或平板电脑上，因此医生可以远程监控他们的病人。

新的瞬态起搏器传感器/控制网络可用于术后需要临时起搏的患者心脏手术或者是在等待永久起搏器。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(或引线)。

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装置，它可以戴在身体的任何地方。当传感器检测到问题(如电池电量不足、设备放置错误或起搏器故障)时，触觉设备会以特定的模式振动，向佩戴者发出警报，并通知他们出现了问题。

专家的见解

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，通过一个传感器和刺激器的无线网络，提供对基本生理过程的多节点、闭环控制，以控制生物体行为的复杂生物反馈循环的方式运作。”

对于临时心脏起搏，该系统将患者从监控和刺激设备中解脱出来，将他们限制在医院环境中。相反，病人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。这也将降低医疗保健成本，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。”“当心脏恢复适当的自我刺激能力时，就必须拔掉这根电线。正如你所想象的，拔掉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，它可以简单地溶解，不需要取出。这样就避免了拔掉电线的危险步骤。”

阿罗拉说:“目前的心脏起搏器相当智能，能够很好地响应患者不断变化的需求。”“但可穿戴模块可以完成传统起搏器的所有功能，甚至更多。病人在胸前佩戴一个小贴片，就能得到实时反馈来控制起搏器。这种起搏器不仅本身具有生物可吸收性，而且由一块柔软的可穿戴贴片控制，使起搏器能够对日常生命活动做出反应，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Louis Simpson和Kimberly Querrey教授，也是Querrey Simpson生物电子学研究所(QSIB)主任。Efimov是一名教授生物医学工程他是范伯格大学的医学(心脏病学)教授。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20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。在这项新研究中，罗杰斯和他的合作者将他们的生物可吸收无铅心脏起搏器与四种不同的皮肤接口设备进行了组合和协调。这种安装在皮肤上的装置柔软、灵活，使用后可以轻轻剥下，无需手术取出。在需要一段时间后，起搏器会在体内自然溶解。

“身体区域网络”包括:

• 一种无需电池的短暂、生物可吸收的心脏起搏器，可以暂时为心脏起搏;
• 放置在胸部的心脏模块，为植入的起搏器提供电力并控制刺激参数，同时感知心脏的电活动和声音;
• 一个放在额头上的血液动力学模块，用来感知脉搏血氧测量、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
• 一个多触觉反馈模块，以各种模式振动和脉冲与患者交流。

罗杰斯说:“我们想要证明，部署多种不同类型的设备是可能的，每一种设备都以无线协调的方式在全身执行基本功能。”“有些人感觉到了。有些正在输送电力。有些很刺激。一些正在提供控制信号。但它们都协同工作，交易信息，根据算法做出决策，并对不断变化的情况做出反应。多种生物电子设备相互交流，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，按需节奏

自从西北大学的瞬时起搏器一年前首次推出以来，研究人员已经进行了多次改进，以推进这项技术。以前的设备是灵活的，而新的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。

新的迭代还使用了罗杰斯和埃菲莫夫实验室开发的生物兼容粘合剂。这种胶粘剂可以使这种轻薄的设备轻柔地贴在心脏表面，而不需要缝合。另一个新的好处是:随着短暂起搏器缓慢而无害地溶解，它现在释放出一种抗炎药物，以防止异物反应。

也许最具影响力的进步是该设备能够根据患者的需要按需提供起搏。与心脏起搏器同步，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。”“如果恢复了正常活动，那么它就停止了跳动。这一点很重要，因为如果你在不必要的时候刺激心脏，就有诱发心律失常的风险。”

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

为新生儿提供足够温和的卫生保健

罗杰斯、埃菲莫夫、阿罗拉和他们的团队相信，他们的系统对最脆弱的患者是最有益的。每年，大约有4万名婴儿出生时，心脏上腔之间的壁有一个洞。其中约有1万例危及生命，需要立即进行手术。手术后，100%的婴儿都会接受临时起搏器。

埃菲莫夫说:“好消息是，这只是暂时的情况。“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。移除心脏起搏器的程序多年来有了很大的改进，所以并发症的发生率很低。但我们可以将这些婴儿从连接外部发电机的电线中解放出来，使他们不必再进行第二次手术。”

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