用于體內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)的新型無線傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壓力監(jiān)測(cè)是根據(jù)具體條件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行持續(xù)壓力測(cè)量的過程，測(cè)量時(shí)間從幾分鐘到數(shù)年不等。監(jiān)測(cè)人體不同器官的壓力既可用于診斷，也可用于治療。這一應(yīng)用涉及多個(gè)醫(yī)學(xué)學(xué)科，例如心臟病學(xué)、神經(jīng)學(xué)、眼科學(xué)、泌尿?qū)W和腸胃病學(xué)等。

壓力傳感器在臨床中的應(yīng)用已有很多年歷史。最常見的基本原理是將目標(biāo)器官的壓力通過液體或空氣介質(zhì)傳遞到外部傳感器。通過基本的工程設(shè)計(jì)，可以開發(fā)出相對(duì)可靠且高成本效益的外部壓力記錄設(shè)備。不過，現(xiàn)有壓力傳感臨床器械存在各種局限，例如，充水導(dǎo)管經(jīng)常出現(xiàn)的問題是患者運(yùn)動(dòng)造成的偽影，這一問題可以通過使用充氣導(dǎo)管進(jìn)行改善。但是，比較測(cè)量結(jié)果顯示，充氣導(dǎo)管提供的讀數(shù)與充水導(dǎo)管相比有顯著差異。另一種方法是使用微探針，壓力傳感器位于探針頂端。這種方法可以減少運(yùn)動(dòng)偽影，并解決導(dǎo)管堵塞的問題。與機(jī)械膀胱模型中的水壓傳感器相比，兩種系統(tǒng)的壓力讀數(shù)具有很高的相關(guān)性。然后，臨床研究指出這些不同系統(tǒng)之間存在不一致性。因此，最新的國際尿動(dòng)力學(xué)最佳實(shí)踐指南提倡在膀胱測(cè)壓過程中使用帶有外部傳感器系統(tǒng)的充液導(dǎo)管。

光纖壓力傳感器和MEMS壓力傳感器已成為具有廣泛醫(yī)療應(yīng)用前景的技術(shù)。在這些器件中，壓阻式壓力傳感器是MEMS壓力傳感技術(shù)的一種，它能將施加在薄膜上的機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換為電阻率變化。雅培CardioMEMS HF系統(tǒng)的上市是將MEMS技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的成功案例之一，它用于無線監(jiān)測(cè)心衰患者的肺動(dòng)脈。在之前的研究中，研究人員報(bào)道了MEMS壓力傳感元件（即壓力敏感元件）的構(gòu)造和特性，有望用于開發(fā)新的醫(yī)療器械。研究人員還利用振動(dòng)臺(tái)上的膀胱模型進(jìn)行了工作臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明這種壓力傳感器可以檢測(cè)到當(dāng)前臨床系統(tǒng)無法檢測(cè)到的信號(hào)。此外，一項(xiàng)使用該傳感器系統(tǒng)的臨床案例研究表明，該系統(tǒng)使用安全，并能在膀胱中進(jìn)行可靠的壓力測(cè)量。

用于長期測(cè)量的無線植入式壓力傳感器系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)，有望造福神經(jīng)源性膀胱疾病患者，這類疾病通常由脊髓損傷引起。這項(xiàng)技術(shù)可以通過監(jiān)測(cè)膀胱壓力來替代失去的膀胱充盈感，為患者和醫(yī)護(hù)人員提供有價(jià)值的信息來源。因此，過去十年來開發(fā)出了各種植入式壓力傳感器系統(tǒng)原型，這些系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)遙測(cè)鏈接或數(shù)據(jù)記錄功能，以便日后檢索。此類系統(tǒng)可采用不同的通信協(xié)議，如WiFi、ZigBee、近場(chǎng)通信、醫(yī)療植入通信系統(tǒng)（MICS）和低功耗藍(lán)牙（BLE）。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，挪威奧斯陸大學(xué)（University of Oslo）的研究人員在Scientific Reports期刊上發(fā)表了一篇題為“From wires to waves, a novel sensor system for in vivo pressure monitoring”的論文，介紹了一種植入式壓力傳感器系統(tǒng)的迭代開發(fā)過程，該系統(tǒng)基于研究人員之前研究的壓阻傳感元件和探頭。首先，研究人員使用了一個(gè)系留數(shù)據(jù)記錄器原型，該原型作為診斷工具的一部分而設(shè)計(jì)，可以同時(shí)記錄數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)流，然后，升級(jí)為植入式無線MICS通信系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)植入式BLE單元。

為了評(píng)估新設(shè)計(jì)的醫(yī)療器械原型，通常要進(jìn)行工作臺(tái)試驗(yàn)或使用假解剖模型來證明系統(tǒng)的運(yùn)行符合預(yù)期，也可以使用活體分離器官進(jìn)行體外工作臺(tái)試驗(yàn)。不過，要獲得更可靠、更全面的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)一步植入動(dòng)物模型。動(dòng)物模型的選擇取決于具體的實(shí)驗(yàn)要求，如植入物的大小和傳感器系統(tǒng)的類型等。研究人員利用九頭雌性豬對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行了體內(nèi)測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)功能中存在的問題，并進(jìn)行修改以提高其性能?？傮w而言，該研究成果使傳感器系統(tǒng)能夠在存在不同壓力動(dòng)態(tài)的器官中提供可靠的壓力測(cè)量。

系留式傳感器系統(tǒng)的體內(nèi)測(cè)試

無線MICS系統(tǒng)，將其植入九頭雌性豬體內(nèi)的壓力測(cè)量

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-58019-5

審核編輯：劉清