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實時監(jiān)測血管內(nèi)氧氣水平對于準確跟蹤心胸外科手術(shù)后患者的心肺健康至關(guān)重要。目前，臨床上一般采用在血管內(nèi)放置玻璃纖維導管的形式進行監(jiān)測，但是這存在血管受損、形成血栓和感染的風險。

近日，一個國際研究團隊進行的多學科研究開發(fā)了一種小型無線、可植入式的血氧儀。這是一種光電導管系統(tǒng)，并由柔軟的生物相容性材料封裝，探頭靈活，是一種高性能，患者友好的血氧儀，可以實時監(jiān)測局部組織的氧氣、心率和呼吸活動，可以提供與現(xiàn)有化學標準相似的測量精度和準確度。這項工作于近日發(fā)表在Science Advances雜志。

心血管系統(tǒng)

心血管系統(tǒng)負責向身體的組織和細胞輸送氧氣和營養(yǎng)，并保持平衡，以實現(xiàn)細胞的生理功能。心臟手術(shù)后氧氣探頭，特定心內(nèi)和主要血管飽和度的準確和實時監(jiān)控過程對于患者至關(guān)重要。可穿戴式血氧儀和臨床脈搏血氧儀可以捕獲人體的整體氧合情況。

在重癥監(jiān)護病房（ICU）中，光纖血氧飽和度導管可用于連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度水平，通過將導管探針通過靜脈插入到目標位置來監(jiān)測靜脈的氧合，但是它限制了患者的活動自由度，并使其他診斷或治療變得復雜。此外，玻璃纖維的剛性會在長期植入過程中引起不良事件，例如對血管的損害、感染或血栓形成。

在這項工作中，研究人員開發(fā)的可穿戴式血氧儀，帶有柔性的導管型光電探針，該探針可以連接到一個小的氯氣檢測儀，可穿戴的電子模塊上，從而能以臨床級的準確性，對血管內(nèi)氧氣進行無線和連續(xù)的實時監(jiān)測。

可在手術(shù)過程中實時監(jiān)測心臟生理情況的植入式無線導管血氧儀

設計特點

該設備的探針尖端包含高性能、小型化的發(fā)光二極管（LED）和光電二極管（PD）酒精檢測儀，并完全用醫(yī)用級的透明有機硅彈性材料封裝。電子模塊支持可充電電源，電路控制和無線數(shù)據(jù)通信。在ICU的智能手機或平板電腦上部署的圖形用戶界面（GUI）實現(xiàn)實時存儲和分析測量數(shù)據(jù)可視化。該結(jié)果代表了無線光電技術(shù)在心臟病學方面的重要進展。

該設備完全用醫(yī)用硅酮層封裝，并包含三個主要組件：

該設備還可以使用藍牙將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絺€人計算機。

機械特性和生物相容性

該裝置的機械性能使相鄰生物組織上的機械力最小化，從而提高了生物相容性。人體皮膚的楊氏模量或剛度通常保持在400到800 kPa之間，人體心肌組織的楊氏模量大約為100 kPa。藍牙模塊包含一種生物相容性有機硅，用于封裝，其楊氏模量在人體皮膚范圍內(nèi)。

該團隊使用了三種具有生物相容性有機硅的導管血氧儀探頭氧氣探頭，這些探頭的楊氏模量值各不相同。所得的結(jié)構(gòu)抗彎剛度是探針的抗彎剛度的50倍。盡管該探針的模量更大，但它在機械負荷很小的情況下可以輕易地隨心肌一起變形，而不會對心臟造成損害。

將設備皮下植入小鼠模型脊柱附近的背部，并進行計算機斷層掃描兩個星期后。研究小組隨后對植入30天的小鼠進行了全血計數(shù)和血液化學分析，結(jié)果表明沒有器官損傷或損傷的跡象，也沒有對電解質(zhì)或酶平衡產(chǎn)生不利影響。

機械封裝和生物相容性特征

基準測試和體內(nèi)研究

大型心臟外科手術(shù)依靠光纖血氧儀測量的靜脈血氧飽和度（SvO2）和中心靜脈血氧飽和度（ScvO2）監(jiān)測來指導護理。該團隊使用了多種氧氣水平的馬血進行了實驗室測試，并將其與商用系統(tǒng)進行了比較。

結(jié)果顯示了對SvO2和ScvO2的測量能力，該設備可在兒科心臟手術(shù)和恢復過程中使用，以實時監(jiān)測術(shù)后早期和關(guān)鍵時期血管內(nèi)的血氧飽和度水平。

研究人員在大鼠模型上進行了實驗，實驗顯示，該設備捕捉到了心率（HR）、呼吸頻率（RR）、局部缺血和心律不齊的變化。該小組還測量了實驗期間的心率和呼吸率。高度的相關(guān)性表明，該設備在實時氧合監(jiān)測中提供了足夠的靈敏度和精確度。

在嚙齒動物模型中實時監(jiān)測心臟生理的體內(nèi)演示

前景

總而言之，研究人員開發(fā)了一種靈活、輕薄的導管式血氧儀，可以實時準確地監(jiān)測靜脈和心臟的氧合水平。結(jié)果表明，該無線光電設備可以檢測心臟直視手術(shù)過程中大鼠的心臟氧合飽和度。同時，研究還探索了該設備監(jiān)測主要血管中氧氣水平的潛力氧氣探頭，并希望對大型動物模型中的氧飽和度檢測的效率和可靠性進行進一步研究，以模擬患者的心臟直視手術(shù)。

參考資料：

【1】

【2】Liu W. et al. Wireless, implantable catheter-type oximeter designed for cardiac oxygen saturation,Science Advances,DOI: 10.1126/sciadv.abe0579

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