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機器之心編譯

機器之心編輯部

來自美國西北大學的研究團隊為心臟病患者開發了一種可溶解的智能起搏器，并與可穿戴的傳感器網絡相連，全面監測患者心律，預計將在 5 年內投入臨床使用。

進行心臟血管手術后，許多患者需要一個臨時起搏器來幫助他們穩定心率。該裝置由一個脈沖發生器、一根或多根絕緣導線以及每根導線末端的電極組成。脈沖發生器是一個有金屬外殼，包含小型計算機和電池的電子電路，它負責調節發送到心臟的脈沖。電線的一端連接脈沖發生器，另一端連接的電極則放置在心臟的一個腔室內。

但傳統的臨時起搏器存在幾個問題：脈沖發生器限制了患者的活動能力，并且必須通過手術來更換或移除起搏器，這可能導致感染、移位、組織撕裂或損壞、出血和血栓等并發癥。

去年，來自美國西北大學的研究團隊開發了一種溶解式起搏器，讓患者可以在不受外部硬件束縛的情況下正常生活。該起搏器厚度為 250 微米，重量不到半克，最關鍵的是可以溶解在患者體內，無需手術移除。

今年 5 月，該研究團隊又推出了升級版智能起搏器，它可以與該團隊開發的可穿戴傳感器網絡相連。這種傳感器網絡靈活柔軟，穿戴在身上可以監測各種生理功能，以幫助起搏器確定何時以何種速度為心臟起搏。整個起搏系統是完全自主的。

值得注意的是，這種溶解式起搏器在溶解時還會釋放出一種消炎藥。開發團隊成員，西北大學生物醫學工程教授 Igor Efimov 介紹道：「任何類型的外來硬件被植入人體時，細胞都會攻擊這個外來物體，釋放抗炎藥將阻止身體排斥起搏器。」

這套智能設備在植入人體后立即開始溶解，但每個設備都將為特定患者專門設計和制造。例如患者需要持續使用起搏器兩周，則研究團隊會將其設計成在所需時間內（約兩周）保持其完整性的設備。該設備尚未供人們實際使用，但 Efimov 預計它將在未來 5 年內提供給患者。

該智能起搏器的外殼是由可生物吸收的聚氨酯制成的，材料薄、柔軟且柔韌。「由于起搏器要植入心臟表面，因此這些材料特性至關重要」，研究團隊負責人、IEEE Fellow John Rogers 說道。

起搏器的內部一側是接收天線，另一側是傳輸線圈。它們通過蛇形射頻二極管連接。起搏器的正上方有一個連接到患者胸部的小型無線貼片，電極則位于貼片與皮膚直接接觸的一側，貼片內部還有一個小電池和一個傳輸線圈。電極負責記錄患者的心電圖 ( ECG ) 并幫助調節發送到心臟的脈沖。

智能起搏器在體內自行溶解。

貼片中的傳輸線圈和起搏器無線耦合。電池產生的振蕩磁場在貼片線圈中感應出電流，然后電流會進入起搏器中的線圈，為設備供電并控制心臟起搏率。如果起搏器檢測到患者的心率下降到某個頻率以下，它會激活貼片中的傳輸線圈，為起搏器提供動力，使其能夠將患者的心率恢復到健康水平。

連接到患者胸部的小型無線貼片負責記錄患者的心電圖，然后將其發送到移動應用程序，供醫生使用。該智能起搏器內部的接收天線負責收集患者心率數據，并使用近場通信技術（NFC）將其發送到移動應用程序上，供醫生監測。

雖然可以根據心電圖結果來衡量患者的心臟跳動速度，但身體活動、患者的血型和靜息心率等外部因素也會影響心律。因此，研究團隊又開發了一個可穿戴的傳感器網絡，用于監測患者的體溫、氧氣水平、呼吸、身體活動、肌肉張力等。

目前，整個傳感器網絡包括三個部分：胸部、前額和頸部。起搏器的系統會自動分析這些傳感器收集的數據，如果檢測到心律異常，起搏器將改變心率脈沖。