Sci. Adv. | 无电池,无电路!清华团队开发超声植入传感器,实时监测心脏健康

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医工学人评论

创新性地提出了一种无电池、无电路的超声传感与通信方法,实现了微创、高效的体内生理信号监测,有望推动体内健康监测设备的进一步发展。

2月19日,清华大学冯雪及李海成团队在《Science Advances》发表文章 “Flexible circuit-free system via passive modulated ultrasound for wireless thoracic pressure monitoring”,文章提出了用于植入式医疗设备(IMDs)的被动调制超声(PMU)原理,并开发了用于胸腔压力监测的无电路超声系统(CUS),为IMDs的发展提供了新方向,在心脏疾病监测和诊断方面具有重要意义和应用潜力


创新性:基于被动调制超声(PMU)的无电源通信方式,突破了现有IMDs对电池和电路的依赖,提高了生物安全性和使用寿命;CUS体积仅2.5 mm(半径)× 850 μm(高度),远小于现有的植入式传感器;成功应用于兔子胸腔压力监测;与传统ECG相比,CUS能更早检测到心肌梗死等疾病状态。


局限性:由于PMU原理依赖于被动调制的超声反射信号,该方法在复杂生理环境下可能受到噪声干扰,如何确保信号的稳定解码仍是挑战;未来在人类患者中的长期生物相容性、植入手术的安全性仍需进一步研究


临床应用潜力:该设备可以用于实时监测心脏相关压力变化,例如心肌梗死、充血性心力衰竭或高血压患者的心脏功能评估,为临床诊断和治疗提供关键数据由于无电池、无电路,CUS相比传统植入式设备大幅降低了体积和生物风险,未来可能成为心血管、神经系统等疾病长期监测的一种理想方案。


该研究在无电池、无电路的植入式超声传感技术方面具有重要的创新性,为未来超小型、低功耗的生物医学传感器提供了新方向。有望在心血管疾病监测、个性化医疗和远程健康管理等领域发挥重要作用。

*评论内容仅供参考,一切以英文原文为准



IMDs为各种医疗保健应用提供有效的医疗解决方案。由于需要预期功能,例如与外部设备通信,电路对于植入式设备至关重要。电路存在多种风险,例如生物相容性问题、功率限制或尺寸限制。在这项工作中,提出了一种用于IMDs的被动调制超声(PMU)原理,并开发了一种用于胸压监测的无电路超声系统(CUS)。

PMU原理可以将监测到的生理信号被动地调制成超声波脉冲,而无需使用电路或电源。开发的CUS的尺寸半径仅为2.5毫米,高度仅为850微米。动物实验表明,CUS具有高灵敏度,可以监测胸腔压,以帮助诊断不同的心脏病,包括心脏骤停和心肌梗塞。PMU为IMDs提供了一种人性化的无线传感和通信策略,可促进人体内医疗保健应用的进步。

图2 PMU原理及CUS示意图


PMU原理和CUS设计:PMU原理通过外部设备发射和接收超声,CUS基于监测的生理信号被动调制反射的超声脉冲。CUS由压电换能器和电阻式传感器组成,结构简单、尺寸小,具有良好的生物相容性和柔韧性。

PMU原理机制:基于压电材料的机电耦合效应,通过调整外部可变电阻改变反射超声脉冲的幅度,建立网络模型从理论上描述该原理,实验结果验证了其可行性和正确性。

CUS的设计与性能:选择2MHz频率和2.5mm半径的换能器,采用1-3压电复合材料制作换能器,其具有高压电系数和良好的声阻抗匹配。体外实验表明,CUS校准曲线线性良好,灵敏度高,受侧向偏差、倾斜角度和弯曲变形影响小。

胸腔压力监测:设计动物实验,将CUS植入兔子胸部皮下监测胸腔压力。结果表明,CUS能准确监测正常和异常心脏状态下的胸腔压力,在心肌梗死实验中,CUS监测的胸腔压力幅度和频率变化可用于早期预警和诊断。

图2 PMU机制

图3 CUS的设计和性能

图4 体内实验监测胸部压力


图5 体内实验监测心肌埂塞

文章链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads5634

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