问答：软电子治疗心律失常

华盛顿特区乔治华盛顿大学的 Igor Efimov 教授和一个团队 - 与伊利诺伊州芝加哥西北大学的 John Rogers 教授实验室合作 - 正在开创一类新的医疗器械，该器械使用柔性电子设备来改善微创患者的治疗效果手术。

技术简介： 您是如何开始这个项目的？

博士。伊戈尔·叶菲莫夫： 我做心脏研究已经有一段时间了。我在克利夫兰诊所作为独立调查员开始了我的职业生涯，该诊所拥有悠久的创新文化，并取得了许多重大突破。我在那里与许多出色的心脏病专家一起工作，我真的被那次经历所改变。

我的工作重点是心律失常和心律失常的治疗。第二个重要的经历是大约七八年前。我正在寻找一个实施医疗设备的新平台，我偶然发现了 John Rogers 的工作，他在生物相容性材料方面取得了进展。他已经与一些生物学家合作过，主要是在神经科学领域。我邀请他在心脏病学方面与我合作，从那时起我们一起做了很多工作。首先，我们为器官适形电子学创建了一个平台。然后我们继续为“智能”电子设备创建一个平台——本质上是配备了自己的微电路的医疗设备，可以进行信号处理、放大、多路复用等。我们的下一个项目是无电池植入式起搏器。我们现在正在努力使它们可被身体吸收，以便在不再需要它们后被吸收。

技术简介： 无电池设备如何供电？

博士。叶菲莫夫： 起搏器有一个与外部天线匹配的天线。你可以在体外有一个电路——嵌入你的衣服或可穿戴贴片——它使用感应电能传输将能量和编程传输到植入的电子设备中。

大约在 2013 年，我们设计了一种可用于鼠标的起搏器。但不幸的是，我们使用的银线电极太硬了，导致心肌受损，所以我们的老鼠死亡率很高。这让我产生了使用约翰设计的软保形电子设备的想法。那是我最初的刺激——我问他是否能解决我的问题，他做到了。

我们最近的论文讨论了如何创建用于经皮经静脉导管的设备。它不会被植入，但会被插入心脏并导航到心律失常的区域。它具有五种不同的功能，具有三种类型的传感器和执行器，可以提供两种不同的功能。这种多功能、多物理场可让您显着提高消融治疗的速度。消融是用于治疗心律失常的最先进技术。 85% 的房颤（AF）或室性心动过速患者无法用药物治疗，因此他们不得不忍受这种疾病。不幸的是，这导致中风率和死亡率急剧增加。仅美国就有大约 500 万 AF 患者。在全球范围内，大约有 1500 万人，预计到 2050 年，由于预期寿命延长，房颤患者将达到 5000 万人。

心脏消融是一种可以通过破坏引起心房颤动的心脏组织来纠正心房颤动的手术。目前，治疗是通过插入几件硬件来完成的。一种用于通过记录来自心脏的电信号来创建映射心律失常的电图。这些电图可用于尝试了解心律失常的来源。然后可以插入另一块硬件进行消融。消融意味着您本质上是使用射频电流烧伤组织，这会将组织温度提高到大约 55°C – 60°C [131°F – 140°F]。结果，您杀死了导致心律失常的细胞，并有望杀死 AF。因为您是异步执行该程序，一个用于定位，另一个用于消融，所以要正确执行此操作存在很多技术困难。它需要 X 射线，因为当您插入电极时，您显然没有直接的视线。您可以看到心脏内部的硬件并正确导航的唯一方法是使用 X 射线快照。这会使患者和医生暴露在不完全安全的辐射剂量下。我们的技术可以通过将映射和消融结合到一个设备中来减少辐射。您无需多次更换设备，因为我们的设备具有覆盖心脏大面积的众多传感器和执行器。因此，您无需重复重新定位导管即可进行映射和消融，这将减少暴露于辐射。

还有一些额外的模态通常不存在于这种映射设备中：温度传感器矩阵和另一个力传感器矩阵。这两个矩阵为您提供实时读数。温度传感器允许您在消融时监测温度，这很关键，因为如果您不在正确的温度范围内，消融将失败。如果超过灭火目标100°C，那将是危险的，因为你会煮沸间质液和血液，这会产生气泡等问题，从而导致梗塞和中风。所以，你必须非常精确。力测量矩阵允许您确定消融矩阵和心脏之间有良好的物理接触，这对于消融至关重要，因为如果您没有良好的接触，无论您向致动器施加多少能量，它们不会向心脏本身提供适当的能量。

现在进行消融的方式是使用一个单点导管，实际上是一根插入心脏内的导线，您可以逐点戳它。在我们的例子中，我们将有 100 多个传感器覆盖心脏的大面积区域。这种非常关键的接触只能通过力测量来建立。不幸的是，你不能用 X 光片看到心脏，因为它是一种软组织，与心肌的接触非常小。所以，你可以用 X 光片看到导管，但看不到心脏本身。

我们的设备还使我们能够进行另一种消融。目前它主要由射频完成，这被称为热烧蚀，因为射频电流会增加温度。或者，我们可以使用冷冻消融术，这是一种广泛使用但不太常见的冷冻心脏手术。

现在出现的另一种方法称为不可逆电穿孔，它不是燃烧组织，而是用高电流击打它，在细胞膜上打孔，从而杀死细胞。它在几微秒内完成，而像射频这样的热方法需要几分钟来煮熟组织，这样它就可以杀死它。不可逆电穿孔现在正在作为一种非热技术出现，尽管它尚未完全开发用于心脏应用。但是，我们的设备有能力做到这一点。

总而言之：我们的设备可以在多个位置进行消融——您无需移动导管。您可以根据来自同一设备的心律失常图，根据需要消融整个区域。这是独一无二的——它以前没有做过，在同一个设备中进行映射和消融。此外，热感应和力感应可确保安全。

技术简介： 一个问题：对于电穿孔，电流会通过细胞吗？

博士。叶菲莫夫： 是的，当您通过刺激组织或细胞施加足够的能量时，您会破坏膜，因为电流流过通常不导电的脂质膜。它们由脂肪组成，本质上是不导电的，但如果施加足够的能量，就会使膜穿孔并杀死细胞。

可逆电穿孔是另一种应用，它使用的能量略少。它用于传递大分子。对于基因治疗，举一个例子，你还必须对细胞进行穿孔，在其中打洞，但要打小洞。这些漏洞随后会自行修复。这允许您将大分子放入细胞内，例如 RNA 或蛋白质片段或其他一些大分子。这些不能穿透完整细胞的膜，但它们可以穿过由电穿孔电流产生的孔。我们正计划将我们的设备也用于此目的。所以，如果有人需要在心脏的某个区域进行基因治疗，我们可以提供电穿孔电流并提供适当的治疗。

技术简介： 如何将射频功率输入设备以及如何获得足够的射频功率用于加热？

博士。叶菲莫夫： 好问题。它说明了为什么这个设备不能真正植入。我们的设备是一个导管，通过电缆连接到外部电子设备，并安装在气球状结构上。你做一个切口，你打开一条静脉，通常在腹股沟区域，然后你穿过静脉进入心脏，但它通过电缆连接到外部电子设备。当它在心中时，你部署它，你解开它，它就成形了。或者你可以在气球内插入生理盐水，它会形成适当的形状。虽然它会与组织接触，但它是硬连线的。这就是你提供足够能量的方式。目前，我不知道有足够大的能源可以通过无线方式或通过电池提供类似的东西。

技术简介： 电穿孔也是如此吗？

博士。叶菲莫夫： 是的，特别是电穿孔实际上需要更高的能量。但是，对于此过程，您不需要任何可植入的东西。仅在美国，每年就有数十万患者因心律失常的迹象而被消融。正如我所说，药物通常不起作用，所以你能做点什么的唯一方法就是消融。对于消融，您插入电极，患者躺在桌子上并被轻微镇静。您插入电缆，执行程序，卸下硬件，然后患者回家。

但我们也在研究另一个程序。事实上，我已经开发了一种用于治疗心房或心室颤动的植入式装置，采用较低的能量疗法，但我们不使用这种装置进行消融。我们应用一系列低能量脉冲来终止心律失常。但是，植入式设备的要求要严格得多，因为您要将它们长时间留在患者体内。

技术简介： 我在您的插图中看到，您在导管末端的气球上有大量传感器和执行器。您如何将它们互连？

博士。叶菲莫夫： 您可以直接使用蛇形线连接，这具有灵活性，但在这种情况下，您将遇到瓶颈。因此，我们为每个传感器和执行器配备了自己的电路。如果是传感器，我们就有放大、滤波和多路复用的电路。如果是执行器，我们会进行多路复用。如果您谈论的是高通量系统，则需要多路复用。未来，我预计我们将需要数百到数千个传感器和执行器，因此肯定需要多路复用。

技术简介： 您使用什么类型的执行器？

博士。叶菲莫夫： 对于这种应用，只需电动，无论是用于射频消融还是用于不可逆电穿孔。然而，之前我们写过我们如何拥有用于光的执行器，例如用于光谱学。这种设备上的致动器将具有 LED 和光电二极管。 LED 将发出特定波长的光，这将激发心脏内分子中的荧光，而光电二极管将收集该荧光。这将为我们提供心脏中各种细胞过程的读数，例如新陈代谢。因此，有各种类型的传感器和执行器。

技术简介： 你在实验动物身上测试过吗？

博士。叶菲莫夫： 在我们之前的项目中，我们开发了一种微型无电池起搏器，我们展示了我们可以将它植入一只老鼠身上，老鼠可以拥有它一个月左右，并长期用作心脏刺激器。

技术简介： 那么，您是否也在老鼠身上测试过这个装置？

博士。叶菲莫夫： 我们在几个环境中测试了这个设备，在移植的人类心脏中，我们从华盛顿特区的当地器官采购组织收到了这些设备是不能接受移植的。最终，我们计划在人类身上进行测试。但我们确实在猪身上做过测试。我们无法在小动物身上测试这些导管，因为它们是为人类心脏的大小而设计的。

技术简介： 您对什么时候可以商业化有一些大致的了解吗？

博士。叶菲莫夫： 我可以肯定地说，三到五年是一个不错的数字。对于一家临床创业公司，我们需要获得风险投资——这是我们的下一步。

技术简介： 您之前在植入式除颤器方面的工作如何？

博士。叶菲莫夫： 我的目标是减少除颤所需的能量。目前，植入人体胸部以治疗室性心律失常或心源性猝死的除颤器可以挽救生命。但有时当患者有意识并且非常痛苦时，它们可能会不恰当地消失。这是一个巨大的能量传递到胸部。由于休克引起的疼痛，它们不能用于心房颤动患者。房颤患者是有意识的，不像因心室颤动而处于心源性猝死状态的患者，他们已经失去知觉，对他们来说这是生死攸关的问题，所以对他们来说，这与疼痛无关。

我们的工作是关于如何改变除颤策略以使其无痛。这就是我多年来所做的。我们现在正在进行植入式除颤器技术的临床试验。

技术简介： 在我看来，您的工作将对心脏病的治疗产生重大影响。

博士。叶菲莫夫： 我认同。作为一名材料科学家，约翰·罗杰斯多年来一直在从事的工作——他自己开发了一个完整的电子制造传统，即生物相容性材料：柔软、可拉伸、柔顺且不会引起炎症。所有这些工作现在在许多医学领域都取得了成果。我对心脏病学特别感兴趣，但在神经学、脑机接口、神经损伤患者的肌肉控制等方面也有工作要做。所以，现在是进入生物电子领域的好时机。我认为接下来的十到十五年将会非常棒！

例如，我是 NIH 建立的社区的一员；一个名为 SPARC 的计划，其重点是如何控制控制外周器官的外周神经，从而从根本上控制不同的疾病。交感神经和副交感神经系统控制着身体的所有器官：心脏、肺、胃、肠道等。如果你能控制神经，你可以减轻许多疾病的负担，甚至消除一种疾病。我们现在正在努力构建一个能够刺激交感神经和副交感神经并记录它们的界面。这也将在许多医学领域发生变革。

技术简介： 对我来说听起来像是科幻小说。

博士。叶菲莫夫： 十年前，是 科幻小说。事实上，我现在正在和几个合作者一起写另一笔赠款，我建议在标题中使用现在已经被遗忘的“cyborg”这个词，因为它既是控制论的又是有机的。

本次采访的编辑版本出现在 2020 年 11 月的《技术简报》中。