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【Science子刊】科学家开发便携式无线、可植入式血氧仪，可实时准确监测静脉、心脏氧合水平

首页 » 《转》译 2021-02-26 转化医学网赞(2)

导读	一个人身体是否健康，从血氧饱和度就可以反映出来，血氧饱和度低的人会出现呼吸急促、能量供应不足、疲劳等症状。

实时监测血管内氧气水平对于准确跟踪心胸外科手术后患者的心肺健康至关重要。目前，临床上一般采用在血管内放置玻璃纤维导管的形式进行监测，但是这存在血管受损、形成血栓和感染的风险。

近日，一个国际研究团队进行的多学科研究开发了一种小型无线、可植入式的血氧仪。这是一种光电导管系统，并由柔软的生物相容性材料封装，探头灵活，是一种高性能，患者友好的血氧仪，可以实时监测局部组织的氧气、心率和呼吸活动，可以提供与现有化学标准相似的测量精度和准确度。这项工作于近日发表在Science Advances杂志。

心血管系统
心血管系统负责向身体的组织和细胞输送氧气和营养，并保持平衡，以实现细胞的生理功能。心脏手术后，特定心内和主要血管饱和度的准确和实时监控过程对于患者至关重要。可穿戴式血氧仪和临床脉搏血氧仪可以捕获人体的整体氧合情况。
在重症监护病房（ICU）中，光纤血氧饱和度导管可用于连续监测血氧饱和度水平，通过将导管探针通过静脉插入到目标位置来监测静脉的氧合，但是它限制了患者的活动自由度，并使其他诊断或治疗变得复杂。此外，玻璃纤维的刚性会在长期植入过程中引起不良事件，例如对血管的损害、感染或血栓形成。
在这项工作中，研究人员开发的可穿戴式血氧仪，带有柔性的导管型光电探针，该探针可以连接到一个小的，可穿戴的电子模块上，从而能以临床级的准确性，对血管内氧气进行无线和连续的实时监测。
设计特点
该设备的探针尖端包含高性能、小型化的发光二极管（LED）和光电二极管（PD），并完全用医用级的透明有机硅弹性材料封装。电子模块支持可充电电源，电路控制和无线数据通信。在ICU的智能手机或平板电脑上部署的图形用户界面（GUI）实现实时存储和分析测量数据可视化。该结果代表了无线光电技术在心脏病学方面的重要进展。
该设备完全用医用硅酮层封装，并包含三个主要组件：
一种具有光电传感器的低模量柔性导管，其中包含两个发光波长为645和950 nm的发光二极管和一个有机硅光电二极管；可弯曲的微型蓝牙电子模块，可安装在皮肤上；在手持设备上部署的自定义GUI支持实时可视化存储和数据分析，并为LED的照明参数提供控制界面。
该设备还可以使用蓝牙将数据无线传输到个人计算机。
机械特性和生物相容性
该装置的机械性能使相邻生物组织上的机械力最小化，从而提高了生物相容性。人体皮肤的杨氏模量或刚度通常保持在400到800 kPa之间，人体心肌组织的杨氏模量大约为100 kPa。蓝牙模块包含一种生物相容性有机硅，用于封装，其杨氏模量在人体皮肤范围内。
该团队使用了三种具有生物相容性有机硅的导管血氧仪探头，这些探头的杨氏模量值各不相同。所得的结构抗弯刚度是探针的抗弯刚度的50倍。尽管该探针的模量更大，但它在机械负荷很小的情况下可以轻易地随心肌一起变形，而不会对心脏造成损害。
将设备皮下植入小鼠模型脊柱附近的背部，并进行计算机断层扫描两个星期后。研究小组随后对植入30天的小鼠进行了全血计数和血液化学分析，结果表明没有器官损伤或损伤的迹象，也没有对电解质或酶平衡产生不利影响。
基准测试和体内研究
大型心脏外科手术依靠光纤血氧仪测量的静脉血氧饱和度（SvO2）和中心静脉血氧饱和度（ScvO2）监测来指导护理。该团队使用了多种氧气水平的马血进行了实验室测试，并将其与商用系统进行了比较。
结果显示了对SvO2和ScvO2的测量能力，该设备可在儿科心脏手术和恢复过程中使用，以实时监测术后早期和关键时期血管内的血氧饱和度水平。
研究人员在大鼠模型上进行了实验，实验显示，该设备捕捉到了心率（HR）、呼吸频率（RR）、局部缺血和心律不齐的变化。该小组还测量了实验期间的心率和呼吸率。高度的相关性表明，该设备在实时氧合监测中提供了足够的灵敏度和精确度。
前景

总而言之，研究人员开发了一种灵活、轻薄的导管式血氧仪，可以实时准确地监测静脉和心脏的氧合水平。结果表明，该无线光电设备可以检测心脏直视手术过程中大鼠的心脏氧合饱和度。同时，研究还探索了该设备监测主要血管中氧气水平的潜力，并希望对大型动物模型中的氧饱和度检测的效率和可靠性进行进一步研究，以模拟患者的心脏直视手术。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

【1】https://medicalxpress.com/news/2021-02-wireless-implantable-catheter-type-oximeter-cardiac.html

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