美国研发新型无线心脏起搏器 非电池驱动

     

美国新开发的无线且非电池驱动的心脏起搏-除颤器中的电路网，4个花瓣形状用来包覆整个心脏。这些花瓣电路上共遍布9个微型的LED灯珠，共同连结在微型控制器上。（亚利桑那州大学提供）

随着人口老龄化和心脏病的高发，越来越多的心脏病患者必须依赖心脏起搏-除颤器，但这种微型机器的植入又给病人带来其它痛苦。美国医学家最近发布的一项研究成果显示，人类有望获得一种无线且非电池驱动的心脏起搏-除颤器，以解决现有机器给病人带来的困扰。

除颤-起搏器是植入心脏内的微型机器，用来调节心房颤动和其它心律失常症状等。当患者心跳异常时，机器会透过强力的电击重置患者的心跳，但电流不仅会让患者痛苦，也妨碍医生使用设备观察心脏状态。因此，科学家们希望开发出一种能观察心房和心室治疗过程，同时又能降低患者痛苦的除颤-起搏器。

针对这一议题，美国亚利桑那大学、华盛顿大学、西北大学及美国国家心肺血液研究所共同组成研究团队，对此进行了研究和动物试验，研究成果发表在今年10月底的《科学》杂志上。

这款新型的无线机器没有电池驱动，其独特的板载计算能力，能够实时监测心律，能依照心脏大小调整机器的大小。由于该设备没有电池，因此未来安装该款机器的患者，无需每5到7年更换一次设备中的电池。

这款新开发的植入性的微型无线心脏起搏-除颤器，整体大小约2到3厘米，用超低延迟方式，达到快速除颤和起搏效果，并透过红外光（IR）对其进行远程连网、编程和遥控，实时监测和记录心律，可选择更佳除颤时间。

另外，生物的心脏大小和形状，会因物种产生差异，所以制作时必须先对生物心脏的变化和跳动模式进行分析和调整，避免心脏跳动时导致该款机器中的超薄电路发生不可逆的形变，破坏机器的功效。

在对小鼠做的动物试验中，科学家为了记录小鼠心脏跳动的变化，透过深度学习软件DeepLabCut追踪和分析心脏形态改变的情况，借此达到计算心脏收缩的周期、收缩时表面积的变化，以对机器的电路进行修正。

该款机器的电路由聚二甲苯进行封装，中间层含有铂、银、钛金属和聚酰亚胺（PI）构成柔软且超薄的薄膜型电路层。

机器的能源主要透过磁共振的方式从主天线中收集射频（RF）的功率，为其收集电力，再储存到电容中。这些电力用来驱动整个机器，让微型控制器（μC）控制、计算和收集心脏在除颤和起搏时的数据变化回传至电脑。

该电路采用波浪图形交错形式，组成4个花瓣形状的电路网，以便包覆整个心脏。这些花瓣电路上共遍布9个微型的LED灯珠，并共同连结在微型控制器上。

 

图为美国新开发的无线且非电池驱动的心脏起搏-除颤器，左边是微型控制装置，右边是实验鼠的心脏和起搏点。（亚利桑那州大学提供）

上面的微型LED灯珠不仅提供照明，同时也是起搏点，用来起搏和除颤小鼠的心脏。微型LED灯珠会随着提供的电流大小，改变其亮度和散发出的热能，借此强化心肌细胞，达到预期效果。

不过，科学家为了避免微型LED灯珠在高功率时温度过高，对小鼠的心脏组织造成损害，破坏了实验目的，因此将灯珠的温度变化设定在0.84°C以下。

这些设置都完成后，实验人员开始对小鼠进行起搏和除颤功能测试。实验结果证实，该机器确实起到除颤和起搏的作用。

动物的实验是当代病理学和西医医学发展的重要工具和依据，特别是在心血管疾病方面的研究。研究团队希望使用在小鼠身上的高度微型化的植入性除颤-起搏机器，能对研究人类心脏疾病有所帮助，并最终应用到病人身上。

该项目的研究人员、西北大学生物医学工程教授伊戈尔‧叶菲莫夫（Igor Efimov）对亚利桑那大学的新闻室表示，“新设备可以进行更精确的定点除颤，不仅效果更好，也减少患者痛苦。希望这项技术可以让全世界的患者生活更轻松，同时也帮助人们监测和治疗心脏病。”