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創(chuàng)新性地提出了一種無電池、無電路的超聲傳感與通信方法，實現(xiàn)了微創(chuàng)、高效的體內生理信號監(jiān)測，有望推動體內健康監(jiān)測設備的進一步發(fā)展。

2月19日，清華大學馮雪及李海成團隊在《Science Advances》發(fā)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醫(yī)療設備(IMDs)的被動調制超聲(PMU)原理，并開發(fā)了用于胸腔壓力監(jiān)測的無電路超聲系統(tǒng)(CUS)，為IMDs的發(fā)展提供了新方向，在心臟疾病監(jiān)測和診斷方面具有重要意義和應用潛力。

創(chuàng)新性：基于被動調制超聲（PMU）的無電源通信方式，突破了現(xiàn)有IMDs對電池和電路的依賴，提高了生物安全性和使用壽命；CUS體積僅2.5 mm（半徑）× 850 μm（高度），遠小于現(xiàn)有的植入式傳感器；成功應用于兔子胸腔壓力監(jiān)測；與傳統(tǒng)ECG相比，CUS能更早檢測到心肌梗死等疾病狀態(tài)。

局限性：由于PMU原理依賴于被動調制的超聲反射信號，該方法在復雜生理環(huán)境下可能受到噪聲干擾，如何確保信號的穩(wěn)定解碼仍是挑戰(zhàn)；未來在人類患者中的長期生物相容性、植入手術的安全性仍需進一步研究。

臨床應用潛力：該設備可以用于實時監(jiān)測心臟相關壓力變化，例如心肌梗死、充血性心力衰竭或高血壓患者的心臟功能評估，為臨床診斷和治療提供關鍵數(shù)據(jù)；由于無電池、無電路，CUS相比傳統(tǒng)植入式設備大幅降低了體積和生物風險，未來可能成為心血管、神經(jīng)系統(tǒng)等疾病長期監(jiān)測的一種理想方案。

該研究在無電池、無電路的植入式超聲傳感技術方面具有重要的創(chuàng)新性，為未來超小型、低功耗的生物醫(yī)學傳感器提供了新方向。有望在心血管疾病監(jiān)測、個性化醫(yī)療和遠程健康管理等領域發(fā)揮重要作用。

*評論內容僅供參考，一切以英文原文為準

IMDs為各種醫(yī)療保健應用提供有效的醫(yī)療解決方案。由于需要預期功能，例如與外部設備通信，電路對于植入式設備至關重要。電路存在多種風險，例如生物相容性問題、功率限制或尺寸限制。在這項工作中，提出了一種用于IMDs的被動調制超聲(PMU)原理，并開發(fā)了一種用于胸壓監(jiān)測的無電路超聲系統(tǒng)(CUS)。

PMU原理可以將監(jiān)測到的生理信號被動地調制成超聲波脈沖，而無需使用電路或電源。開發(fā)的CUS的尺寸半徑僅為2.5毫米，高度僅為850微米。動物實驗表明，CUS具有高靈敏度，可以監(jiān)測胸腔壓，以幫助診斷不同的心臟病，包括心臟驟停和心肌梗塞。PMU為IMDs提供了一種人性化的無線傳感和通信策略，可促進人體內醫(yī)療保健應用的進步。

圖1 PMU原理及CUS示意圖

PMU原理和CUS設計：PMU原理通過外部設備發(fā)射和接收超聲，CUS基于監(jiān)測的生理信號被動調制反射的超聲脈沖。CUS由壓電換能器和電阻式傳感器組成，結構簡單、尺寸小，具有良好的生物相容性和柔韌性。

PMU原理機制：基于壓電材料的機電耦合效應，通過調整外部可變電阻改變反射超聲脈沖的幅度，建立網(wǎng)絡模型從理論上描述該原理，實驗結果驗證了其可行性和正確性。

CUS的設計與性能：選擇2MHz頻率和2.5mm半徑的換能器，采用1-3壓電復合材料制作換能器，其具有高壓電系數(shù)和良好的聲阻抗匹配。體外實驗表明，CUS校準曲線線性良好，靈敏度高，受側向偏差、傾斜角度和彎曲變形影響小。

胸腔壓力監(jiān)測：設計動物實驗，將CUS植入兔子胸部皮下監(jiān)測胸腔壓力。結果表明，CUS能準確監(jiān)測正常和異常心臟狀態(tài)下的胸腔壓力，在心肌梗死實驗中，CUS監(jiān)測的胸腔壓力幅度和頻率變化可用于早期預警和診斷。

圖2 PMU機制

圖3 CUS的設計和性能

圖4 體內實驗監(jiān)測胸部壓力

圖5 體內實驗監(jiān)測心肌埂塞

文章鏈接：

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