實(shí)時(shí)監(jiān)測血管內(nèi)氧氣水平對(duì)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(xiǎn)。
近日,一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測局部組織的氧氣、心率和呼吸活動(dòng),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(xiàng)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(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控過程對(duì)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(dòng)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(huì)在長期植入過程中引起不良事件,例如對(duì)血管的損害、感染或血栓形成。
在這項(xiàng)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(gè)小的氯氣檢測儀,可穿戴的電子模塊上,從而能以臨床級(jí)的準(zhǔn)確性,對(duì)血管內(nèi)氧氣進(jìn)行無線和連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
可在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測心臟生理情況的植入式無線導(dǎo)管血氧儀
設(shè)計(jì)特點(diǎn)
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(jí)的透明有機(jī)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(jī)或平板電腦上部署的圖形用戶界面(GUI)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(gè)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€(gè)人計(jì)算機(jī)。
機(jī)械特性和生物相容性
該裝置的機(jī)械性能使相鄰生物組織上的機(jī)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(jī)硅,用于封裝,其楊氏模量在人體皮膚范圍內(nèi)。
該團(tuán)隊(duì)使用了三種具有生物相容性有機(jī)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(jī)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(huì)對(duì)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(jì)算機(jī)斷層掃描兩個(gè)星期后。研究小組隨后對(duì)植入30天的小鼠進(jìn)行了全血計(jì)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(duì)電解質(zhì)或酶平衡產(chǎn)生不利影響。
機(jī)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(duì)使用了多種氧氣水平的馬血進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測術(shù)后早期和關(guān)鍵時(shí)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(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)期間的心率和呼吸率。高度的相關(guān)性表明,該設(shè)備在實(shí)時(shí)氧合監(jiān)測中提供了足夠的靈敏度和精確度。
在嚙齒動(dòng)物模型中實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí),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(duì)大型動(dòng)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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