清華新聞網(wǎng)10月4日電 心臟起搏器和腦起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備已成為多類(lèi)頑固性疾病的重要治療手段，全球已經(jīng)完成了超過(guò)100萬(wàn)例的設(shè)備植入。然而，現(xiàn)有心臟起搏器等植入式醫(yī)療器械存在電池壽命有限、手術(shù)更換電池會(huì)帶來(lái)二次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等缺陷。此外，為了延長(zhǎng)使用周期，需要用到大體積的電池，造成現(xiàn)有設(shè)備體積大，材質(zhì)硬，在植入后往往會(huì)引起患者的不適，甚至有時(shí)會(huì)造成生理排斥反應(yīng)。傳統(tǒng)起搏器應(yīng)用過(guò)程中，起搏器囊袋、導(dǎo)線(xiàn)相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)生率高達(dá)10％～20％。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組基于超聲所具有的波長(zhǎng)短、換能器小、組織穿透距離深和能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢(shì)，結(jié)合柔性超聲技術(shù)和柔性電路技術(shù)，研發(fā)了一種柔性可延展超聲陣列及系統(tǒng)，可在換能器尺寸小型化的同時(shí)兼具高效能量傳輸性能的優(yōu)勢(shì)，其在植入體內(nèi)后，可接收超聲波的機(jī)械能并將之轉(zhuǎn)換為電能使系統(tǒng)工作。系統(tǒng)內(nèi)置傳感、計(jì)算分析等模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體內(nèi)生理狀態(tài)信息，并將采集的生理信息通過(guò)超聲波編碼進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)生理遙測(cè)。相比于商用心臟起搏器，該器件的體積縮小了28倍，且結(jié)合柔性可延展的力學(xué)設(shè)計(jì)和輕薄柔軟的高生物兼容性封裝，使得該植入式器件在長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)過(guò)程中給患者帶來(lái)極大的舒適性且大大減小了并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。
超聲波供能及通信器件的應(yīng)用場(chǎng)景及器件展示
生物環(huán)境下器件的超聲波通信實(shí)驗(yàn)
馮雪課題組還開(kāi)展了在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)作為植入式心臟起搏器的應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)植入后接收超聲波而開(kāi)始工作，通過(guò)內(nèi)置的PVDF傳感器來(lái)采集心臟跳動(dòng)信息，根據(jù)預(yù)編入的程序判斷心臟的跳動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)出異常跳動(dòng)時(shí)給與心臟電刺激作為電學(xué)治療以實(shí)現(xiàn)心臟跳動(dòng)再同步化的治療目的。
在體心臟起搏動(dòng)物實(shí)驗(yàn)
9月29日，馮雪課題組在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上發(fā)表了題為《柔性可延展的超聲能量傳輸及通訊系統(tǒng)》（“A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication”）的論文，描述了一種新型超薄超柔的植入式超聲系統(tǒng)，可以基于超聲波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)能量輸送以及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并與人體組織器官良好兼容。該系統(tǒng)可解決現(xiàn)有植入式醫(yī)療器械在體內(nèi)的能源續(xù)航及供應(yīng)難題，為植入式醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)提供了一條新途徑，在心臟起搏、全植入泵和人工器官等重要臨床場(chǎng)景有重大應(yīng)用潛力。
清華大學(xué)航院2020級(jí)博士生金鵬為文章第一作者，浙江清華柔性電子技術(shù)研究院副研究員付際對(duì)該工作提供了重要的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)支持，馮雪是論文通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg2507
供稿：航天航空學(xué)院
編輯：陳曉艷
審核：曲田
