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柔性電子陣列助力微創(chuàng)手術 更安全、更高效

ExMh_zhishexues ? 來源:知社學術圈 ? 作者:知社學術圈 ? 2020-09-14 17:55 ? 次閱讀
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柔性電子被廣泛應用于可穿戴設備、植入式器件等領域,其顯著優(yōu)勢在于:(1)柔性的電子器件可以與生物組織形成緊密的接觸,實現(xiàn)高精度的檢測;(2)柔性的電子器件不會對生物組織造成損傷。在微創(chuàng)手術過程中,醫(yī)生需要利用集成有傳感器的醫(yī)療器械對體內的多種信號進行實時檢測與評估。將醫(yī)療器械上的傳感器替換為多功能、陣列化的柔性電子器件,則有望實現(xiàn)更為精準的檢測和更加安全、高效的治療,以提升微創(chuàng)手術的效率。

最近,西北大學John A. Rogers教授課題組、黃永剛教授課題組與喬治華盛頓大學Igor R. Efimov教授課題組在Nature Biomedical Engineering上發(fā)表了題為“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”的研究論文,提出了一種多功能、多路復用的柔性電子陣列結構,可與醫(yī)用導管相集成,有望使未來的微創(chuàng)心臟手術更加安全高效。 醫(yī)用導管可以通過較小的切口植入生物體,并進行一系列的診斷與治療。例如,在心臟微創(chuàng)手術中,外科醫(yī)生可以通過集成有電極的導管對心內膜的電信號進行檢測,并通過局部加熱的方式燒蝕部分心肌組織,實現(xiàn)對心律不齊的治療。醫(yī)用導管已經(jīng)成為微創(chuàng)手術中十分重要且有效的工具,但仍有進一步提升的空間。首先,導管上集成的電子器件體積較大且不具有柔性,無法與生物組織形成良好的接觸,從而影響信號檢測的精度;其次,導管上的電子器件數(shù)量減少、空間密度較低,每次檢測時電子器件僅能與生物組織的某一小部分區(qū)域接觸,無法同時獲得大面積的信息;最后,目前的導管僅具有單一的功能,無法實現(xiàn)多物理量的同時測量。 基于此,研究人員用多功能的柔性電子陣列替換醫(yī)用導管上的傳統(tǒng)電子器件,構建了智能微創(chuàng)手術工具,并在Langendorff離體心臟灌流系統(tǒng)上展示了柔性電子陣列的多種診斷與治療功能。整個系統(tǒng)的構建包括以下三個關鍵點。

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關鍵點一:高密度、多功能的傳感系統(tǒng) 對于單層的柔性電子器件陣列而言,高空間分辨率與多功能集成之間是互相矛盾的——將更多不同功能的器件相集成意味著每種功能的空間分辨率會降低。為此,研究人員采用垂直堆疊的方式,構建了多層柔性電子器件陣列,每一層器件具有單一的功能和較高的空間分辨率。通過多層疊加,實現(xiàn)了高密度、多功能的傳感系統(tǒng)(圖一)。

圖一:多層柔性電子器件陣列。(a)示意圖;(b)實物圖。

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關鍵點二:柔性、高精度壓力傳感陣列 為滿足心臟微創(chuàng)手術的需求,多功能傳感陣列需具有壓力檢測功能,以評估導管與心肌組織的接觸情況;需具有電生理信號檢測功能,以檢測不同位置的心電信號;還需具有溫度檢測功能,以評估射頻消融治療的效果。其中,柔性、高精度的壓力檢測是整個系統(tǒng)的難點之一。目前,很多關于柔性壓力傳感器的研究側重點在于新材料的開發(fā),這些新材料雖然具有很高的靈敏度,但本征上具有一定的遲滯,限制了其在高保真度壓力檢測方面的應用。 研究人員所構建的壓力傳感陣列基于金屬應變片,本征上不具有遲滯。然而,傳統(tǒng)的金屬應變片對正向壓力非常不敏感,無法滿足心臟微創(chuàng)手術的需求。通過三維屈曲的方法,可以并行化地將近百個金屬應變片轉變?yōu)槿S結構(圖二)。當施加正向壓力在這種具有三維形貌的金屬應變片時,壓力會導致三維結構形變,從而引起金屬的電阻變化。在三維結構上方增加不同尺寸的空腔結構,還可以精確調控壓力傳感器的靈敏度,滿足不同應用的需求。

圖二:三維壓力傳感陣列。(a)陣列實物圖;(b)與空腔結構集成的三維壓力傳感陣列;(c)單個壓力傳感器受到正壓力時的有限元仿真結果;(d)壓力傳感器靈敏度的有限元仿真結果;(e)壓力傳感器性能的實驗測試結果。

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關鍵點三:柔性電子器件的治療功能 大部分柔性電子器件僅具有檢測功能,而心臟微創(chuàng)手術過程中需要通過射頻消融、不可逆電穿孔等方式來治療心律不齊。研究人員以電極陣列為媒介,通過向電極陣列輸入不同類型的電信號來實現(xiàn)多種治療功能(圖三)。例如,輸入高頻正弦信號可以使心肌組織內部的離子產(chǎn)生攪動,導致溫度的升高,實現(xiàn)射頻消融治療;采用雞胸肉可以對射頻消融的效果進行體外實驗驗證,經(jīng)過射頻消融的雞胸肉由于溫度升高產(chǎn)生會發(fā)白的現(xiàn)象。又如,輸入高壓脈沖信號可以在電極之間產(chǎn)生高電場,使心肌細胞因不可逆電穿孔而凋亡;采用土豆可以對不可逆電穿孔的效果進行體外實驗驗證,經(jīng)過高壓電場的土豆由于細胞膜破裂會釋放出酚氧化酶,從而促進土豆內的酚類化合物氧化而產(chǎn)生發(fā)黑的現(xiàn)象。

圖三:柔性電子陣列的治療功能。(a)射頻消融所施加的電信號;(b)在雞胸肉上進行射頻消融的實物圖,白色區(qū)域為射頻消融后的區(qū)域;(c)不可逆電穿孔所施加的電信號;(d)在土豆上進行不可逆電穿孔的實物圖,黑色區(qū)域為不可逆電穿孔后的區(qū)域。 進一步地,研究人員將上述多功能柔性電子陣列與多種球囊導管集成,構建了智能微創(chuàng)手術工具(圖四)。當球囊收縮時,附著在球囊上的多功能柔性電子陣列能夠以微創(chuàng)的形式植入生物體。在植入后,多功能柔性電子陣列隨著球囊膨脹,與生物組織形成緊密接觸,從而實現(xiàn)高精度的檢測與高效率的治療。相關結果在Langendorff兔心臟(圖五)和Langendorff人體心臟(圖六)進行了驗證。

圖四:集成有柔性電子器件陣列的球囊導管。

圖五:集成有多功能電子器件陣列的球囊導管在Langendorff兔心臟的測試結果。(a)測試示意圖;(b-d)電生理信號研究;(e-g)射頻消融治療及溫度信號檢測;(h,i)心電信號與壓力信號的同時采集。

圖六:集成有多功能電子器件陣列的球囊導管在Langendorff人體心臟的測試結果。(a)測試示意圖;(b)Langendorff人體心臟心內膜實物圖;(c,d)電生理信號研究;(e-k)電學檢測與光學檢測的結果對比;(l,m)Langendorff人體心臟心內膜射頻消融后的實物照片和組織切片照片。 美國西北大學Querrey Simpson生物電子研究所韓夢迪博士、西安交通大學材料學院陳林博士、以及喬治華盛頓大學生物醫(yī)用工程學院Kedar Aras博士為本論文的第一作者。美國西北大學John A. Rogers院士和黃永剛院士、以及喬治華盛頓大學Igor R. Efimov教授為本論文的通訊作者。

原文標題:Nat. Biomed. Eng.:柔性電子陣列助力微創(chuàng)手術

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