美研發新型無線心臟起搏器 非電池驅動

【2022年11月03日訊】(大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導)隨著人口老齡化和心臟病的高發,越來越多的心臟病患者必須依賴心臟起搏-除顫器,但這種微型機器的植入又給病人帶來其它痛苦。美國醫學家最近發布的一項研究成果顯示,人類有望獲得一種無線且非電池驅動的心臟起搏-除顫器,以解決現有機器給病人帶來的困擾。

除顫-起搏器是植入心臟內的微型機器,用來調節心房顫動和其它心律失常症狀等。當患者心跳異常時,機器會透過強力的電擊重置患者的心跳,但電流不僅會讓患者痛苦,也妨礙醫生使用設備觀察心臟狀態。因此,科學家們希望開發出一種能觀察心房和心室治療過程,同時又能降低患者痛苦的除顫-起搏器。

針對這一議題,美國亞利桑那大學、華盛頓大學、西北大學及美國國家心肺血液研究所共同組成研究團隊,對此進行了研究和動物試驗,研究成果發表在今年10月底的《科學》雜誌上。

這款新型的無線機器沒有電池驅動,其獨特的板載計算能力,能夠實時監測心律,能依照心臟大小調整機器的大小。由於該設備沒有電池,因此未來安裝該款機器的患者,無需每5到7年更換一次設備中的電池。

這款新開發的植入性的微型無線心臟起搏-除顫器,整體大小約2到3厘米,用超低延遲方式,達到快速除顫和起搏效果,並透過紅外光(IR)對其進行遠程連網、編程和遙控,實時監測和記錄心律,可選擇更佳除顫時間。

另外,生物的心臟大小和形狀,會因物種產生差異,所以製作時必須先對生物心臟的變化和跳動模式進行分析和調整,避免心臟跳動時導致該款機器中的超薄電路發生不可逆的形變,破壞機器的功效。

在對小鼠做的動物試驗中,科學家為了記錄小鼠心臟跳動的變化,透過深度學習軟件DeepLabCut追蹤和分析心臟形態改變的情況,藉此達到計算心臟收縮的周期、收縮時表面積的變化,以對機器的電路進行修正。

該款機器的電路由聚二甲苯進行封裝,中間層含有鉑、銀、鈦金屬和聚醯亞胺(PI)構成柔軟且超薄的薄膜型電路層。

機器的能源主要透過磁共振的方式從主天線中收集射頻(RF)的功率,為其收集電力,再儲存到電容中。這些電力用來驅動整個機器,讓微型控制器(μC)控制、計算和收集心臟在除顫和起搏時的數據變化回傳至電腦。

該電路採用波浪圖形交錯形式,組成4個花瓣形狀的電路網,以便包覆整個心臟。這些花瓣電路上共遍布9個微型的LED燈珠,並共同連結在微型控制器上。

圖為美國新開發的無線且非電池驅動的心臟起搏-除顫器,左邊是微型控制裝置,右邊是實驗鼠的心臟和起搏點。(亞利桑那州大學提供)

上面的微型LED燈珠不僅提供照明,同時也是起搏點,用來起搏和除顫小鼠的心臟。微型LED燈珠會隨著提供的電流大小,改變其亮度和散發出的熱能,藉此強化心肌細胞,達到預期效果。

不過,科學家為了避免微型LED燈珠在高功率時溫度過高,對小鼠的心臟組織造成損害,破壞了實驗目的,因此將燈珠的溫度變化設定在0.84°C以下。

這些設置都完成後,實驗人員開始對小鼠進行起搏和除顫功能測試。實驗結果證實,該機器確實起到除顫和起搏的作用。

動物的實驗是當代病理學和西醫醫學發展的重要工具和依據,特別是在心血管疾病方面的研究。研究團隊希望使用在小鼠身上的高度微型化的植入性除顫-起搏機器,能對研究人類心臟疾病有所幫助,並最終應用到病人身上。

該項目的研究人員、西北大學生物醫學工程教授伊戈爾‧葉菲莫夫(Igor Efimov)對亞利桑那大學的新聞室表示,「新設備可以進行更精確的定點除顫,不僅效果更好,也減少患者痛苦。希望這項技術可以讓全世界的患者生活更輕鬆,同時也幫助人們監測和治療心臟病。」◇

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