在微創(chuàng)手術過程中，醫(yī)生需要利用集成有傳感器的醫(yī)療器械對體內(nèi)的多種信號進行實時檢測與評估。將醫(yī)療器械上的傳感器替換為多功能、陣列化的柔性電子器件，則有望實現(xiàn)更為精準的檢測和更加安全、高效的治療，以提升微創(chuàng)手術的效率。
柔性電子被廣泛應用于可穿戴設備、植入式器件等領域，其顯著優(yōu)勢在于：
(1)柔性的電子器件可以與生物組織形成緊密的接觸，實現(xiàn)高精度的檢測;
(2)柔性的電子器件不會對生物組織造成損傷。
最近，西北大學John A. Rogers教授課題組、黃永剛教授課題組與喬治華盛頓大學Igor R. Efimov教授課題組在Nature Biomedical Engineering上發(fā)表了題為“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”的研究論文，提出了一種多功能、多路復用的柔性電子陣列結(jié)構(gòu)，可與醫(yī)用導管相集成，有望使未來的微創(chuàng)心臟手術更加安全高效。
醫(yī)用導管可以通過較小的切口植入生物體，并進行一系列的診斷與治療。例如，在心臟微創(chuàng)手術中，外科醫(yī)生可以通過集成有電極的導管對心內(nèi)膜的電信號進行檢測，并通過局部加熱的方式燒蝕部分心肌組織，實現(xiàn)對心律不齊的治療。
醫(yī)用導管已經(jīng)成為微創(chuàng)手術中十分重要且有效的工具，但仍有進一步提升的空間。首先，導管上集成的電子器件體積較大且不具有柔性，無法與生物組織形成良好的接觸，從而影響信號檢測的精度;其次，導管上的電子器件數(shù)量減少、空間密度較低，每次檢測時電子器件僅能與生物組織的某一小部分區(qū)域接觸，無法同時獲得大面積的信息;最后，目前的導管僅具有單一的功能，無法實現(xiàn)多物理量的同時測量。
基于此，研究人員用多功能的柔性電子陣列替換醫(yī)用導管上的傳統(tǒng)電子器件，構(gòu)建了智能微創(chuàng)手術工具，并在Langendorff離體心臟灌流系統(tǒng)上展示了柔性電子陣列的多種診斷與治療功能。整個系統(tǒng)的構(gòu)建包括以下三個關鍵點。
關鍵點一：高密度、多功能的傳感系統(tǒng) 對于單層的柔性電子器件陣列而言，高空間分辨率與多功能集成之間是互相矛盾的——將更多不同功能的器件相集成意味著每種功能的空間分辨率會降低。為此，研究人員采用垂直堆疊的方式，構(gòu)建了多層柔性電子器件陣列，每一層器件具有單一的功能和較高的空間分辨率。通過多層疊加，實現(xiàn)了高密度、多功能的傳感系統(tǒng)(圖一)。
圖一：多層柔性電子器件陣列。(a)示意圖;(b)實物圖。
關鍵點二：柔性、高精度壓力傳感陣列 為滿足心臟微創(chuàng)手術的需求，多功能傳感陣列需具有壓力檢測功能，以評估導管與心肌組織的接觸情況;需具有電生理信號檢測功能，以檢測不同位置的心電信號;還需具有溫度檢測功能，以評估射頻消融治療的效果。其中，柔性、高精度的壓力檢測是整個系統(tǒng)的難點之一。
目前，很多關于柔性壓力傳感器的研究側(cè)重點在于新材料的開發(fā)，這些新材料雖然具有很高的靈敏度，但本征上具有一定的遲滯，限制了其在高保真度壓力檢測方面的應用。
研究人員所構(gòu)建的壓力傳感陣列基于金屬應變片，本征上不具有遲滯。然而，傳統(tǒng)的金屬應變片對正向壓力非常不敏感，無法滿足心臟微創(chuàng)手術的需求。通過三維屈曲的方法，可以并行化地將近百個金屬應變片轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)(圖二)。
當施加正向壓力在這種具有三維形貌的金屬應變片時，壓力會導致三維結(jié)構(gòu)形變，從而引起金屬的電阻變化。在三維結(jié)構(gòu)上方增加不同尺寸的空腔結(jié)構(gòu)，還可以精確調(diào)控壓力傳感器的靈敏度，滿足不同應用的需求。
圖二：三維壓力傳感陣列。(a)陣列實物圖;(b)與空腔結(jié)構(gòu)集成的三維壓力傳感陣列;(c)單個壓力傳感器受到正壓力時的有限元仿真結(jié)果;(d)壓力傳感器靈敏度的有限元仿真結(jié)果;(e)壓力傳感器性能的實驗測試結(jié)果。
關鍵點三：柔性電子器件的治療功能 大部分柔性電子器件僅具有檢測功能，而心臟微創(chuàng)手術過程中需要通過射頻消融、不可逆電穿孔等方式來治療心律不齊。研究人員以電極陣列為媒介，通過向電極陣列輸入不同類型的電信號來實現(xiàn)多種治療功能(圖三)。
例如，輸入高頻正弦信號可以使心肌組織內(nèi)部的離子產(chǎn)生攪動，導致溫度的升高，實現(xiàn)射頻消融治療;采用雞胸肉可以對射頻消融的效果進行體外實驗驗證，經(jīng)過射頻消融的雞胸肉由于溫度升高產(chǎn)生會發(fā)白的現(xiàn)象。
又如，輸入高壓脈沖信號可以在電極之間產(chǎn)生高電場，使心肌細胞因不可逆電穿孔而凋亡;采用土豆可以對不可逆電穿孔的效果進行體外實驗驗證，經(jīng)過高壓電場的土豆由于細胞膜破裂會釋放出酚氧化酶，從而促進土豆內(nèi)的酚類化合物氧化而產(chǎn)生發(fā)黑的現(xiàn)象。
圖三：柔性電子陣列的治療功能。(a)射頻消融所施加的電信號;(b)在雞胸肉上進行射頻消融的實物圖，白色區(qū)域為射頻消融后的區(qū)域;(c)不可逆電穿孔所施加的電信號;(d)在土豆上進行不可逆電穿孔的實物圖，黑色區(qū)域為不可逆電穿孔后的區(qū)域。
進一步地，研究人員將上述多功能柔性電子陣列與多種球囊導管集成，構(gòu)建了智能微創(chuàng)手術工具(圖四)。當球囊收縮時，附著在球囊上的多功能柔性電子陣列能夠以微創(chuàng)的形式植入生物體。
在植入后，多功能柔性電子陣列隨著球囊膨脹，與生物組織形成緊密接觸，從而實現(xiàn)高精度的檢測與高效率的治療。相關結(jié)果在Langendorff兔心臟(圖五)和Langendorff人體心臟(圖六)進行了驗證。
圖四：集成有柔性電子器件陣列的球囊導管。
圖五：集成有多功能電子器件陣列的球囊導管在Langendorff兔心臟的測試結(jié)果。(a)測試示意圖;(b-d)電生理信號研究;(e-g)射頻消融治療及溫度信號檢測;(h,i)心電信號與壓力信號的同時采集。
圖六：集成有多功能電子器件陣列的球囊導管在Langendorff人體心臟的測試結(jié)果。(a)測試示意圖;(b)Langendorff人體心臟心內(nèi)膜實物圖;(c,d)電生理信號研究;(e-k)電學檢測與光學檢測的結(jié)果對比;(l,m)Langendorff人體心臟心內(nèi)膜射頻消融后的實物照片和組織切片照片。
美國西北大學Querrey Simpson生物電子研究所韓夢迪博士、西安交通大學材料學院陳林博士、以及喬治華盛頓大學生物醫(yī)用工程學院Kedar Aras博士為本論文的第一作者。美國西北大學John A. Rogers院士和黃永剛院士、以及喬治華盛頓大學Igor R. Efimov教授為本論文的通訊作者。
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