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實時監(jiān)測血管內(nèi)氧氣水平對于準(zhǔn)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(dǎo)管的形式進(jìn)行監(jiān)測，但是這存在血管受損、形成血栓和感染的風(fēng)險。

近日，一個國際研究團(tuán)隊進(jìn)行的多學(xué)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(dǎo)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(xué)標(biāo)準(zhǔn)相似的測量精度和準(zhǔn)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(fù)責(zé)向身體的組織和細(xì)胞輸送氧氣和營養(yǎng)，并保持平衡，以實現(xiàn)細(xì)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(zhǔn)確和實時監(jiān)控過程對于患者至關(guān)重要?？纱┐魇窖鮾x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(hù)病房（ICU）中，光纖血氧飽和度導(dǎo)管可用于連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度水平，通過將導(dǎo)管探針通過靜脈插入到目標(biāo)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(fù)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(dǎo)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(zhǔn)確性，對血管內(nèi)氧氣進(jìn)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(dǎo)管血氧儀

設(shè)計特點

該設(shè)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(xué)方面的重要進(jìn)展。

該設(shè)備完全用醫(yī)用硅酮層封裝，并包含三個主要組件：

該設(shè)備還可以使用藍(lán)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(lán)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(tuán)隊使用了三種具有生物相容性有機硅的導(dǎo)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(fù)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(shè)備皮下植入小鼠模型脊柱附近的背部，并進(jìn)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(jìn)行了全血計數(shù)和血液化學(xué)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(zhǔn)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(dǎo)護(hù)理。該團(tuán)隊使用了多種氧氣水平的馬血進(jìn)行了實驗室測試，并將其與商用系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

結(jié)果顯示了對SvO2和ScvO2的測量能力，該設(shè)備可在兒科心臟手術(shù)和恢復(fù)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(jìn)行了實驗，實驗顯示，該設(shè)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(shè)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(dǎo)管式血氧儀，可以實時準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(jìn)行進(jìn)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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