国际研究小组研发微型可植入光电导管系统 可用作手术中监测血氧浓度

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实时监测血管内氧浓度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。现有的方法是在血管内放置玻璃纤维导管,这会造成血管损伤、血栓形成和感染的风险。与电源系统的物理连接会限制重症监护室的行动自由。在一份关于科学进展的最新报告中,魏璐和一组来自美国、中国、韩国和意大利的国际多学科研究人员介绍了一种无线、微型和可植入的光电导管系统。该装置包括探针上的光学元件,由柔软的生物相容性材料封装。探针的柔性、生物相容性结构代表了形成高性能、患者友好型血氧仪的关键特征,该血氧仪可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密度。

国际研究小组研发微型可植入光电导管系统 可用作手术中监测血氧浓度

植入式无线导管血氧仪,用于在外科手术中实时监测心脏生理。(A) 在心脏表面附近使用植入设备进行无线血氧饱和度测定的示意图。该系统由一个导管式血氧仪组成,其传感头缝合在心脏表面,与一个电子模块连接,该模块连接在皮肤上,通过蓝牙协议进行信号采集和无线数据传输。自定义GUI在计算机上显示和记录数据,并作为设备的控制界面。(B和C)设备设计的分解图示意图。(B) 电子模块包含五层:底部弹性基板、柔性PCB、电子元件集合、锂离子电池和顶部弹性封装。(C) 放大后的图像显示了传感器探头,它由柔性PCB、光学刺激和传感组件以及光学模块组成。探头直径为1.5毫米,完全用透明、生物相容的硅胶包裹。(D) 一个缠绕在玻璃棒上的导管血氧仪的图像。(E) 无封装电子模块的图像。(F) 导管式血氧仪传感器的图像。(G) 系统原理框图。

心血管系统


心血管系统向体内的组织和细胞输送氧气和营养物质,并维持细胞生理功能的氧气输送和消耗之间的适当平衡。心内直视手术后对特定的心内和主要血管饱和度进行准确、实时的监测是治疗紫绀型先天性心脏病的关键。可穿戴式血氧仪和临床脉搏血氧仪可以捕捉身体的整体氧合。在重症监护病房(ICU)中,光纤血氧饱和度测定导管可用于连续监测血氧饱和度水平。利用现有的光纤导管血氧测定仪,临床医生将硬玻璃纤维波导管连接到光源和传感模块,将外部光源的光传输到导管尖端的血液,以便将部分后向散射光传输回外部装置进行检测。该装置可以连接到包含显示监视器和控制软件的附加接口。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头连接到一个小的,可穿戴的电子模块,用于无线和连续实时测量血管内氧气的临床级精度。

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光学、热学和电学特性。(A) 用于传感器探头的红色和近红外发光二极管的光谱特性。这些LED(峰值波长为645和950 nm)覆盖了Hb和HbO2反向吸收特性的部分光谱。(B) 将传感器探针植入生肉中,测量了红光和近红外发光二极管的光电流与输入电流的函数关系。实验装置如图S3所示。(C) 心脏组织中近红外和红色发光二极管归一化发射强度分布的蒙特卡罗模拟。(D) 热像图显示了一个成人手臂皮肤的温度分布,导管探头放在上面。(E) 血氧仪传感器探头在工作过程中的测量温度,在1分钟时激活,在4分钟时停用。传感器引起最小的温度升高(低于0.08°C)。(F) 在红色和近红外LED以及ADC采样的驱动时钟序列期间,从放大器电路测量的光电压输出作为时间的函数。缩小led的驱动脉冲有效地降低了功耗,延长了电池寿命。(G) 作为工作时间函数的蓄电池电压。45毫安时锂电池至少可工作22小时。


设计特点


该设备的探针尖端包含高性能、小型化的发光二极管(LED)和光电二极管(PD),完全由医用级、柔软、透明的硅弹性体封装。电子模块通过蓝牙协议支持充电供电、电路控制和无线数据通信。在智能手机或ICU监护显示器平板电脑上部署图形用户界面(GUI),可以对测量数据进行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方面的重要进展。该平台由医用级硅树脂层完全封装,包含三个主要组件:


1、一种具有光电传感器的低模量柔性导管,包含两个发射波长为645和950 nm的发光二极管和一个硅光电二极管。


2、一个可弯曲,微型蓝牙电子模块温和地安装在皮肤上


3、部署在手持设备上的自定义GUI,支持实时可视化存储和数据分析,并为LED的照明参数提供控制界面。

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机械包封和生物相容性特征。(A) 用三种不同的生物相容性硅弹性体(分别标记为:MED-1040、MED-1000和MED-1037)封装的三个导管探头(插入图像;比例尺,2 cm)测量杨氏模量。三个导管探头的杨氏模量范围为800至1700千帕。(B) 测量了(A)中三个导管探头的弯曲刚度,一个导管探头由相对硬的铜线制成,用MED-1000封装,一个商用光纤导管(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) 分别承受22和27 mm弯曲半径的传感器探头和导管的有限元建模。(D) 测量导管探头的光电压,作为压缩和弯曲循环的函数。实验细节如图所示。S7和S8。光电探测器产生的光电压对应于导管探针尖端的两个LED(峰值波长分别为645和950 nm)的工作。a、 美国,任意单位。(E) 在37℃下测量的光电压与PBS溶液中浸泡时间的函数关系。实验细节如图所示。S10和S11。数据显示,8周内的表现变化微不足道。(F) 植入2周后导管传感器的CT图像。(G和H)血氧饱和度探针皮下植入30天的小鼠(标记为实验组)和未植入装置的小鼠(标记为对照组)的全血计数(G)和血液化学(H)分析。


然后,研究小组使用蓝牙协议将数据无线传输到个人电脑。


光学、热学和电学特性


科学家们通过比较氧合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,利用众所周知的光学方法来确定氧合血红蛋白(HbO2)相对于总血红蛋白(HbO2+脱氧血红蛋白Hb)的分数,从而提供了血氧饱和度的有效估计。利用645nm和950nm的巨大差异,科学家们建立了血液氧合光学测量的基础。Lu等人用montecarlo方法测量了光在生物组织中传输的物理过程。这一结果提供了有关LED周围照明分布的定量信息,以及基于文献中发现的人类心肌组织光学特性的光电二极管光检测方面的信息。当这个装置被压在指尖的皮肤上时,Lu等人用红外相机获得了热图像,但没有显示该区域的温度明显升高。科学家们每五分钟进行一次测量,持续五秒钟。

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血氧饱和度测量的性能特征。(A) 比较商业导管血氧仪(Swan Ganz 777F8,Edwards LifeSciences Inc.)和这里介绍的设备的光发射曲线。(B) 商品化导管血氧仪与本文介绍的装置在测量不同HbO2和Hb比值血液溶液中氧饱和度的比较。插图显示了无线导管探头和商用光纤导管(比例尺,1 cm)的比较。(C) 从放置在成人食指上的装置中测量的脉冲信号。(D) 基于光电压信号的脉搏血氧饱和度计算算法流程图。(E和F)在休息一段时间后屏息,然后在另一段休息时间内测量血氧饱和度(E)和心率(F)。结果与商用血氧仪(General Electronic Inc.)的结果一致。附加实验的结果如图S17所示。(G和H)平淡的奥特曼情节。(G) 手指血氧饱和度(4名受试者,801分)。(H) 手指心率(4名受试者,801分)。


机械特性和封装性能


该设备的机械性能最小化了对邻近生物组织的机械力,从而提高了生物相容性。人体皮肤的杨氏模量或刚度通常保持在400到800千帕之间,而人体心脏组织肌肉的杨氏模量约为100千帕。蓝牙模块包含一种生物相容性硅树脂,用于封装人体皮肤范围内的杨氏模量。研究小组使用了三个带有生物相容性硅树脂的导管血氧仪探头,硅树脂具有不同的杨氏模量值。结构的弯曲刚度是探针的50倍。尽管探头的弹性模量更大,但探头可以在可忽略机械负荷的情况下容易地与心肌共形变形,并且不会对心脏造成相关损伤。Lu等人将该装置皮下植入小鼠模型脊柱附近的背部,两周后进行了计算机断层扫描。研究小组随后对植入30天的小鼠进行了全血计数和血液化学检查,以表明没有器官损伤或损伤的迹象,也没有对电解质或酶平衡产生不利影响。


台架试验和体内研究

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在啮齿动物模型中实时监测心脏生理的体内演示。(A) 将导管血氧仪放置在大鼠心脏周围的三维示意图,无线模块放在背部。(B) 该系统采集的信号波形。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)变化与呼吸机上的变化相吻合。(E) 使用无线导管血氧仪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,而无线导管血氧仪在采集血液样本后立即测量心脏表面的氧饱和度。


主要的心脏手术依靠监测静脉血氧饱和度(SvO2)和中心静脉血氧饱和度(ScvO2)来指导护理。这类装置可以经静脉植入,以支持来自外部光源的光传输,并通过拴在床边设备上的患者体内的探测器进行感知。研究小组在实验室进行了不同含氧量的马血测试,并与商用系统进行了比较。结果显示SvO2和ScvO2在相关范围内的测量能力。该方法可应用于小儿心脏手术和康复中,实时监测术后早期和关键时期血管内的血氧饱和度水平。Lu等人在大鼠模型上进行了实验,装置捕捉到了心率、呼吸频率(RR)、缺血和心律失常的变化。研究小组还在实验中测量了心率和呼吸频率。高度的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精度。


前景


就这样,魏璐和同事使用了一种灵活、轻薄的导管式血氧仪,实时准确监测静脉和心脏的氧合水平。结果表明,在毫米级无线光电平台检测大鼠心脏氧饱和度在心脏手术。他们探索了该设备监测主要血管中氧含量的潜力,并期望在模拟患者心脏直视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。


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