H指数合计超过300，三位大佬联手Nature BME，柔性医疗器件打破微创手术30年临床局限性！

1987年，法国医生Mouret的一次偶然手术标志着人类迈入微创手术时代，微创手术顾名思义是通过小切口进行手术，具有创口小（0.5 - 1cm）、疼痛轻、恢复快、出血少等优点。在微创中，具有代表性的设备是导管，它可以：部署医疗设备（例如血管内支架或心脏瓣膜假体），在手术过程中捕获信息（例如力、温度或电描记图）和或将力、电磁能、热刺激和或生物材料（例如药物，细胞或纳米颗粒）传递到软组织上或软组织内的目标部位。

尽管这些基于导管的方法在现代医学中得到了广泛应用，但它们存在缺点：

1）目前的导管相当坚硬，与所使用的软组织不太吻合。

2）这使得综合评估和治疗这些组织变得困难，并且需要花费大量的精力和时间在手术过程中移动导管。

3）功能单一，这意味着在单次手术中可能需要几种不同类型的导管。

成果简介：

鉴于此，西北大学John A. Rogers院士、黄永刚院士和乔治华盛顿大学Igor R. Efimov等人开发了一种新型的导管，可将电极传感器和执行器以及温度和压力传感器的可伸缩和柔性矩阵应用于球囊导管系统，通常用于微创手术或消融治疗，如心律失常。这使得该导管可以与软组织相吻合，并且减少手术时间，同时执行多种监测功能。成果以题为“Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”发表于Nature Biomedical Engineering上。

与现有导管相比，该新型导管具有以下优点：

可探测更复杂的组织

研究人员将传感器、执行器和相关电子设备的多功能集合安装在多层设计的弹性表面上，其中每一层都发挥独特的作用。多路复用阵列格式的仪器传感器和执行器可以探测组织的复杂性质，特别是在跳动的心脏中。例如，这将有助于更好地定位导致心律失常的致死性心律失常的来源。该多模式、多路复用传感能力的集合为高级、高密度和多功能诊断提供了多种选择。

图|多模式、多路复用的柔性传感器和执行器用于微创手术

图|设计、组装和表征3D压力传感器阵列

具有多种治疗功能

因为该设备具有诊断和治疗功能的多层和多功能架构，所以通过将不同类型的电信号通过系统传递给生物学，实现治疗功能，这可增强许多微创心脏手术，包括射频消融（RFA）或不可逆电穿孔（IRE）消融术，其中消融心脏或神经细胞可以消除心律不齐的源头；并且通过可逆电穿孔的过程，可将药物和其他生物材料直接递送到细胞中。

图|治疗功能

同时操作、实时反馈

在进行通过传感器、执行器、多模式操作的同时，可以实现实时反馈控制。

图|同时、多模式操作

人体器官模型验证

研究人员在Langendorff兔心脏模型上进行的实验验证了所用球囊导管的诊断和治疗功能。且在离体供体人心脏左心室楔形模型的心内膜表面上进行的实验进一步验证了多功能功能并突出了电描记图的保真度。这些实验表明使用仪器化的球囊导管可作为诊断和治疗人类心脏病的先进手术工具的可能性。

图|兔心脏模型证明了仪器化球囊导管的多功能性

图|人体心脏模型的心内膜电生理研究

小结

通过集合多层结构的柔性多路电子系统，解决了常规心脏设备的基本局限性：设备与心脏组织之间的模量不匹配以及传感和驱动中的模态和空间密度不足。这种系统与商业和或定制导管的集成产生了具有保形、高密度和多模式感测和致动能力的复杂系统。该系统有望使医生获得丰富的生理信息，并通过一个仪器导管系统在较短的时间内完成手术。该整合策略可以应用于与神经系统、泌尿系统、胃肠道和其他部位的手术相关的其他手术器械。

因此，对于先进的与人体接触的微型侵入型手术设备，这只是一个起点！

参考文献：

Han, M., et al. Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery. Nat Biomed Eng(2020).

https://doi.org/10.1038/s41551-020-00604-w

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