无线，植入式导管型血氧计设计用于心脏氧饱和度

实时监测血管内氧水平对准确跟踪患者心肺健康状况具有重要意义。现有方法采用血管内放置玻璃光纤导管造成血管损伤、血栓形成和感染的风险。电源系统的物理系绳会限制重症监护室的活动自由。在一份新的报告中科学的进步来自美国、中国、韩国和意大利的国际多学科研究团队介绍了一种无线、小型化和可植入的光电导管系统。该设备包括探针上的光学元件，由柔软的生物相容性材料封装。探针的柔性、生物相容性结构代表了形成高性能、患者友好型血氧计的关键定义特征，可以实时监测局部组织氧、心率和呼吸活动。该平台提供了与现有化学标准相似的测量精度和精度。

心血管系统

心血管系统提供氧气和营养对体内的组织和细胞，并在氧气的输送和消耗之间保持适当的平衡细胞生理功能．准确、实时地监测心内直视手术后特定的心包内和主要血管的饱和过程对于治疗心内直视手术后的心包内和主要血管的饱和是至关重要的紫绀型先天性心脏缺陷．可穿戴式血氧计和临床脉搏血氧计可以捕捉全身的氧合情况。在重症监护室(ICU)设置中，光纤血氧测量导管可用于持续监测血氧饱和度水平。使用现有的光纤导管血氧仪，临床医生将硬玻璃纤维波导连接到一个光源传感模块将来自外部光源的光传递到导管尖端的血液中，以便将部分后向散射光传输回外部单元进行检测。所述设备可连接到包含的附加接口显示监控软件．在这项工作中介绍的平台包含一个薄的，灵活的导管类型光电探测器连接到一个小型可穿戴电子模块，用于无线和连续实时测量血管内氧，具有临床级精度。

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)，完全封装在医用级、柔软、透明的硅酮弹性体中。电子模块支持可充电电源、电路控制和通过蓝牙协议进行无线数据通信。在ICU监测显示的智能手机或平板电脑上部署图形用户界面(GUI)，实现测量数据的实时可视化存储和分析。该结果代表了无线光电技术在心脏病学领域的重要进展。该平台被医用级硅胶层完全封装，包含三个主要组件:

• 一种低模量柔性导管，具有光电传感器，包含两个发射波长为645和950 nm的发光二极管和一个硅酮光电二极管。
• 一个可弯曲的，小型化的蓝牙电子模块，温和地安装在皮肤上
• 上部署的自定义GUI手持设备支持实时可视化存储和数据分析，并为led照明参数提供控制接口。

然后，研究小组通过蓝牙协议将数据无线传输到一台个人电脑上。

光学、热学和电学表征

科学家们使用著名的光学方法来定义血氧血红蛋白(HbO)的分数，提供了有效的血氧饱和度估计值₂)相对于总血红蛋白(HbO₂+脱氧血红蛋白- hb)，通过比较氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白在可见光和近红外光谱范围内的吸收光谱。利用645纳米和950纳米的巨大差异，科学家们建立了血液氧合的光学测量基础。Lu等人测量了光在生物组织中的物理传输使用蒙特卡罗法．该结果为led周围的照明分布以及基于人体心肌组织光学特性的光电二极管的光检测提供了定量的见解见于文学作品．当该设备在按压指尖皮肤时起作用，Lu等人用红外摄像机获得了热图像，该图像没有显示该区域温度的明显升高。科学家每五分钟测量一次，持续五秒。

机械特性及封装性能

该装置的机械性能最大限度地减少了对邻近生物组织的机械力，以提高生物相容性。人类皮肤通常保持一个杨氏模量或刚度在400到800千帕之间，人体心脏组织肌肉的杨氏模量接近100千帕。蓝牙模块包含生物相容性硅胶封装，杨氏模量在人体皮肤的范围内。研究小组使用了三种带有不同杨氏模量的生物相容性硅胶导管血氧计探头。结果结构的弯曲刚度比探针的弯曲刚度大50倍。该探针可以很容易地与心肌共形变形，机械负荷可忽略不计，对心脏无相关损伤，尽管其模量较大。Lu等人将该装置植入小鼠模型背部靠近脊柱的皮下并进行操作计算机断层扫描两周后。然后，研究小组对植入了植入物的小鼠进行了30天的全血细胞计数和血液化学检测，结果表明没有器官损伤或损伤的证据，也没有对电解质或酶平衡产生不利影响。

台架试验和体内研究

重大心脏手术依赖于静脉氧饱和度(动宾₂),中心静脉氧饱和度(ScvO₂)使用光纤血氧计进行测量，以指导护理。这种设备可以经静脉植入，以支持外部光源的光传输到连接在床边设备上的患者体内的探测器。该团队在实验室中使用不同含氧量的马血进行了测试，并将其与商业系统进行了比较。结果显示了SvO的测量能力₂和ScvO₂在相关范围内。该方法可应用于小儿心脏手术和康复，实时监测术后早期和关键时期血管内氧饱和度水平。Lu等对大鼠模型进行了实验，该装置捕捉到了心率、呼吸频率(RR)、缺血和心律失常的变化。研究小组还测量了心率以及实验中的呼吸频率。高相关性表明该装置在实时氧合监测中具有足够的灵敏度和精度。

前景

通过这种方式，Wei Lu和同事们使用了一种灵活的、薄的导管式血氧计来实时准确监测静脉和心脏的氧合水平。结果表明，一种毫米级的无线光电平台可用于检测大鼠开胸手术期间的心脏氧饱和度。他们探索了该设备监测主要血管氧水平的潜力，并期望在大型动物模型中对氧饱和度检测的效率和可靠性进行进一步研究，以模拟患者的心内直视手术。