心血管疾病是目前嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命安全的幾大疾病之一，具有高致死致殘率。《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2021》推算心血管病患病人數(shù)3.3億，其中腦卒中1300萬(wàn)，冠心病1139萬(wàn)，心衰890萬(wàn)，肺源性心臟病500萬(wàn)，房顫487萬(wàn)，風(fēng)濕性心臟病250萬(wàn)，先天性心臟病200萬(wàn)，下肢動(dòng)脈疾病4530萬(wàn)，高血壓2.45億。而有效和及時(shí)的血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)可以降低死亡率、患病成本和患病風(fēng)險(xiǎn)，以挽救患者生命和提高患者生活質(zhì)量。此外，監(jiān)測(cè)血液動(dòng)力學(xué)的設(shè)備還可以指導(dǎo)心血管疾病患者的圍手術(shù)期管理。
目前市場(chǎng)上應(yīng)用于這一目的的產(chǎn)品主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是在床旁使用的產(chǎn)品，將傳感器通過(guò)導(dǎo)管插入動(dòng)脈，通過(guò)有線連接到床旁的顯示器，可用于監(jiān)測(cè)血壓，血流速度，溫度等。另一類(lèi)是基于射頻電感/電容（LC）諧振電路的植入式PA監(jiān)測(cè)器，但只能測(cè)量壓力。對(duì)于不需要長(zhǎng)期臥床的患者來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備或者是使用不便，或者是功能不全，不能滿(mǎn)足實(shí)際監(jiān)測(cè)的需要。研發(fā)一種便攜且功能齊全的血流監(jiān)測(cè)設(shè)備成為了眾多科研人員的研究方向。
近日，來(lái)自韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院的Kyeongha Kwon教授和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種使用BLE技術(shù)的無(wú)電池血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有望滿(mǎn)足心血管疾病患者長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)血流狀況的需要。患者可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備對(duì)血流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不需要臥床或者專(zhuān)門(mén)人員陪同。
圖 血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示
血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由植入設(shè)備和可穿戴設(shè)備兩部分組成。
植入設(shè)備由兩個(gè)模塊構(gòu)成，如圖1c左側(cè)所示。一部分是處于血管部的傳感模塊，另一部分是位于皮下脂肪和真皮層之間的無(wú)線電子模塊。兩個(gè)模塊之間通過(guò)一根外部絕緣的柔性銅線相連接。
傳感模塊由硅納米膜制成，尺寸僅為3.0 mm × 8.0 mm × 2.3 mm，這是為了方便植入和與其他植入設(shè)備相結(jié)合。模塊上設(shè)置了測(cè)量血流量的傳感器（圖2b），測(cè)量壓力的傳感器（圖2d）和測(cè)量溫度的傳感器（圖2f），用于采集數(shù)據(jù)。
圖 傳感模塊結(jié)構(gòu)圖
無(wú)線電子模塊主要用于實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能。一是為整個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)供電。由于電池供電的植入物壽命有限，需要通過(guò)手術(shù)來(lái)更換或給電池充電，且具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。因此研究團(tuán)隊(duì)放棄了電池供電的設(shè)計(jì)，使用WRT系統(tǒng)來(lái)為整個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)無(wú)線供電。（圖3d中的RX線圈）。二是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。體內(nèi)部分傳感器的電阻數(shù)據(jù)由AFE電路進(jìn)行處理（圖3d中的AFE電路），然后通過(guò)BLE無(wú)線傳輸?shù)酵獠康娘@示設(shè)備。（圖3d中的BLE SoC）。另外由于兩模塊之間通過(guò)柔性導(dǎo)線相連，因此只需要傳感器進(jìn)入到血管部分，無(wú)限電子模塊可以位于體表淺層部分。
圖 無(wú)線電子模塊示意圖
可穿戴設(shè)備包含兩個(gè)子系統(tǒng)，一個(gè)是定制的用戶(hù)界面，用于接收植入系統(tǒng)傳出的信號(hào)。用戶(hù)可以通過(guò)任何支持BLE通訊的移動(dòng)設(shè)備（如手機(jī)或平板電腦）來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控自己的信息。另一部分是外部WPT系統(tǒng)，包括電池、充電電路和發(fā)射線圈（圖1c中的TX線圈）。用于給植入系統(tǒng)供電。用戶(hù)可將外部WPT系統(tǒng)放在襯衫或內(nèi)衣的口袋里，保持內(nèi)外線圈對(duì)齊，便于供電。
系統(tǒng)的整體運(yùn)作原理為，WPT系統(tǒng)為植入設(shè)備進(jìn)行供電，系統(tǒng)啟動(dòng)。傳感器采集血管內(nèi)血流數(shù)據(jù)，傳輸會(huì)無(wú)線電子模塊，模塊將數(shù)據(jù)處理后經(jīng)過(guò)藍(lán)牙傳輸發(fā)送至移動(dòng)設(shè)備，然后系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到下一個(gè)監(jiān)測(cè)周期。
此前也有許多研究團(tuán)隊(duì)對(duì)可植入無(wú)線血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行過(guò)研究。本研究的優(yōu)化之處在于，使用了BLE通信取代了傳統(tǒng)的NFC通信，因?yàn)锽LE有更遠(yuǎn)的工作距離。BLE芯片功耗更低，本研究中的系統(tǒng)，在不運(yùn)行時(shí)整體處于睡眠狀態(tài)，僅在監(jiān)測(cè)時(shí)開(kāi)啟。并且可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定來(lái)調(diào)控采樣周期。根據(jù)測(cè)試，這種動(dòng)態(tài)模式可降低80%以上的能耗。
研究團(tuán)隊(duì)將設(shè)備在人工心臟系統(tǒng)和豬體內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了將傳感器附在血管支架上一同進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)得出與臨床血流動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備高度一致的數(shù)據(jù)。在未來(lái)的研究中，研究團(tuán)隊(duì)會(huì)在穩(wěn)定性和生物相容性方面進(jìn)行深入研究，如控制表面特性的工程方法，如表面電荷、幾何形狀和潤(rùn)濕性，可以進(jìn)一步提高長(zhǎng)期生物相容性，以克服血液凝固問(wèn)題。具有功率效率和面積效率的WPT方法可以使設(shè)備植入體內(nèi)深處而不受內(nèi)部功率衰減的限制。
