The University of Arizona和Northwestern University的研究者们上个月在Science Advances上发表了一篇文章，题为“Wireless, fully implantable cardiac stimulation and recording with on-device computation for closed-loop pacing and defibrillation”，介绍了GutrufLab研究人员设计的一种无线、无电池的起搏器工作原理，今天就来展开看一下。
图1 研发团队University of Arizona的Gutruf Lab成员，拍摄于2021年12月。左一，Philipp Gutruf博士
光遗传学（Optogenetic）能够为心脏的心肌细胞或神经元提供细胞特异性刺激，就像它对脑神经元细胞做到的一样，也为现代的心律失常研究提供了一种独特的技术，尤其在对转基因小动物模型的研究方面，研究者可通过光遗传学实现细胞特异性和多部位的刺激。与此相对应的是，电刺激存在细胞特异性低、刺激部位受损和能量需求较高等缺点。
本篇中研究团队开发的无线、无电池器械，具备板上计算能力（On-board computational capabilities），特别是高保真心率检测能力，可用于（快速心室率，500bpm）小动物模型中的闭环多位点光遗传学刺激。器械刺激所传递的高时空精度是通过定制的软薄膜电光阵列来实现的，该量身定制以适应动物心脏几何形状的阵列可随心跳而变形，同时还能连续记录和刺激。柔性电路由Pyralux AP8535R构成，阵列薄膜由聚酰亚胺（Polyimide，PI）、钛、银和铂的超薄层物理气相沉积组成（这里钛主要用作黏附层，银用于提高导电率，铂则因具有相对较高的微导电率及热和化学稳定性沉积在最外层），可将能量转移到微尺寸的无机发光二极管（u-ILED），9个蓝色的u-ILED由微控制器uC控制，并进行模数转换和心率计算处理，如下图B。
图2 器械概览。（A）实验室环境下器械在动物中的力学与操作示意图，注意器械主体位于动物胸腔外侧的皮下；（B）器械分解示意图；（C）操作电气原理示意图，IR，Infrared
图3 机械设计。（A）u-ILED和记录阵列薄膜的制造工艺流程图，FEA，有限元分析；（B）收缩期采用光学测绘相机拍摄的带有四个运动跟踪标记的心脏快照；（C）舒张期带有运动跟踪标记的心脏快照；（D）计算心脏跳动期间所产生的应变；（E）心脏变形阵列的模拟；（F）阵列薄膜的制造过程，（i）材料的物理气相沉积；（ii）激光结构化；（iii）组装至器械主体；（G）金属薄膜激光结构化分辨率测试的显微图像；（H）具有u-ILED辐照度输出测量的一万次应变循环，光强度变化1.28%；（I）用于心脏的阵列薄膜图片
如上图3，适应动物心脏比例的阵列被设计成了蛇形结构，以允许金属层的弹性变形，从而实现具有长期稳定性的电导性能。主体由4个花瓣状结构组成，每个花瓣结构包含1-3个u-ILED，其中1个花瓣包含记录电极，所有这些结构通过1条连接到所有花瓣末端的缝合线附着在心脏上，并不需要像既往方式一样进行心外膜的缝合。
图4 电学设计。（A）组件的示意图；（B）带有电压和电流探头的器械电子示意图；（C）22cm*22cm 8W场域中器械的功率与载荷曲线；（D）22cm*22cm*6cm 8W场域中器械的配电空间映射；（E）指示程序选择字节的无线通信方案（蓝色），u-ILED数量（红色），频率（绿色）和占空比（黄色）；（F）拾取线圈电压（黑色），电容器组电压（橙色）和u-ILED功率（蓝色）的调制原理；（I）录制事件期间的器械功耗；（J）自动阈值事件期间器械的阈值电压和检测到的心率图；（K）上行稳定性空间分布图
图5 光电特性。（A）u-ILED和顶部的记录阵列的图像；（B）心脏组织中的器械辐照度随着深度的增加而增加；（C）60℃磷酸盐缓冲盐水（Phosphate-buffered saline，PBS）中器械的长期辐照度测量；（D）器械在40%和4%占空比下运行的稳态热模拟（左）和实验室热测量（右）图像，这里的4%占空比指的是40Hz单个u-ILED激活期间，有限元模拟中的开启时间为1ms，这也是光学除颤研究中一般探索的最差情况；（E）以40Hz和4%占空比运行的器械对心脏组织的热负荷；（F）带参考和记录电极的器械照片；（G）记录电极和u-ILED的特写照片；（H）有或无心脏存在的情况下，溶液中器械频率增加时的阻抗图；（I）输入三个振幅的窦性心律波形（左），并使用板上心率计算三个频率的结果读数（右）；（J）输入三个振幅的波型（左），及使用板上心率计算得出的读数（右）。此处，其板上心率检测算法的采样精度为±0.24Hz，与市售无线心率监测的其它设备相当
体外测试中，研究者们使用离体表达Ch-R2的小鼠心脏来验证光学起搏的功能，发现能够使用该器械来研究心脏再同步治疗或进行除颤。而在采用外部电刺激时，器械也能从离体心脏上捕获到心率，其所测得心率在设定值的±0.14Hz范围内。
图6 体外测试的结果。（A）小鼠离体表达ChR2位点心脏的起搏照片；（B）以10Hz对离体心脏进行起搏，图中的蓝线代表光起搏刺激；（C）离体心脏外部电起搏期间，记录到的无线心内电图EGM和远场ECG
而在体内动物试验过程中，研究者们使用定制的植入工具来快速放置器械，如下图7。一个经过消毒的3D打印工具用水溶性胶带连接到每个花瓣状结构上，一旦到位后，缝合心脏周围的缝线，并用盐水溶解胶带，随后即可移除工具，从而最大限度地减少心外膜疤痕的产生，避免影响后续测量。在植入2天的适应期后，对试验动物进行记录和起搏。
图7 动物试验。（A）植入操作的示意图；（B）和（C）小鼠胸腔和心脏皮下植入器械的术中直视、术后CT图像；（D）试验动物的术后体重测量；（E）试验动物的社会性活动次数；（F）在记录和刺激期间自由活动的动物；（G）无线EGM和远场ECG的随访数据；（H）分别使用3个、6个和9个u-ILED以10Hz捕获的自由移动小鼠的心电图
来源：MiHeart