革新心脏护理：柔性电子治疗心律失常

乔治·华盛顿大学Igor Efimov教授团队（华盛顿特区）——与芝加哥西北大学John Rogers教授实验室合作——正开创一类新医疗器械，利用柔性电子改善微创手术患者预后。

Tech Briefs: 你们如何开始这个项目？

Igor Efimov博士： 我从事心脏研究已有一段时间。我以独立研究员身份在克利夫兰诊所起步，那里有悠久创新文化和诸多重大突破。我与多位杰出心脏病学家合作，深受其影响。

我的工作聚焦心律失常和心律失常治疗。第二个重要经历是约七八年前。我寻找医疗器械新实现平台，发现John Rogers在生物相容材料方面的进展。他已与生物学家合作，主要在神经科学领域。我邀请他合作心脏病学，以来我们合作成果丰硕。首先创建器官贴合电子平台。然后创建"智能"电子平台——本质上配备自有微电路的医疗器械，可信号处理、放大、多路复用等。下一项目是无电池植入式起搏器。我们现在致力于使其可被人体吸收，在不再需要后被吸收。

Tech Briefs: 无电池设备如何供电？

Efimov博士： 起搏器有匹配外部天线的天线。你可在体外拥有电路——嵌入衣物或可穿戴贴片——通过感应功率传输向植入电子传输能量和编程。

约2013年我们设计出在小鼠工作的起搏器。但不幸的是，我们用的银线电极太硬导致心肌损伤，小鼠死亡率极高。这给了我用John设计的柔性贴合电子解决问题的想法。那是我最初刺激——我问他能否解决我的问题，他做到了。

我们最近论文讨论如何创建经皮经静脉导管设备。它不植入，而是插入心脏内部导航至心律失常区域。它有五种功能，三类传感器和执行器服务两种功能。这种多功能、多物理场特性可显著提升消融治疗速度。消融是治疗心律失常的最先进技术。85%房颤（AF）或室速患者药物治疗无效，只能带病生存。不幸导致卒中率和死亡率大幅上升。仅美国就有约500万房颤患者。全球约1500万，预计2050年因预期寿命增加将达5000万房颤患者。

心脏消融是通过破坏导致房颤的心脏组织来纠正房颤的手术。目前治疗需插入多个硬件。一个用于创建电解图，通过记录心脏电信号绘制心律失常图谱。这些电解图可用于尝试理解心律失常源。另一硬件再插入做消融。消融本质上用射频电流烧灼组织，将组织温度升至55°C–60°C [131°F–140°F]。结果杀死导致心律失常的细胞，望治愈房颤。因异步操作——一为定位一为消融——有许多技术难点。需要X射线，因插入电极时显然无直接视线。唯一能看清心脏内硬件并正确导航的方法是X射线快照。这让患者和医生暴露于不完全安全的辐射剂量。我们技术通过将绘图和消融结合在一设备中减少辐射。不需频繁重新定位导管，因我们设备有大量传感器和执行器覆盖心脏大面积。因此可在不重复重新定位导管情况下绘图和消融，减少辐射暴露。

还有两种通常不在绘图设备中出现的模态：温度传感器矩阵和力传感器矩阵。这两个矩阵提供实时读数。温度传感器允许消融时监测温度，至关重要，因若不在正确温度范围消融会失败。若超目标100°C，会危险，因会沸腾间质液和血液产生气泡，可导致梗死和卒中。所以必须极精准。力测量矩阵允许确认消融矩阵与心脏良好物理接触，这对消融至关重要，因若无良好接触，无论向执行器施加多少能量，都无法向心脏本身传递适当能量。

目前消融用单点导管，字面上就是插入心脏的根线，逐点探测。我们将有成百上千传感器覆盖心脏大面积。这种关键接触只能通过力测量建立。不幸的是X射线看不见心脏因它是软组织，与心肌接触极小。所以X射线能看见导管但不见心脏本身。

我们设备还能做替代型消融。目前主要用射频，称热消融因射频电流升温。替代方案是冷冻消融，广泛使用但较少见，通过冻结心脏组织。

新兴另一方法叫不可逆电穿孔，不烧灼组织，用大电流冲击在细胞膜打孔杀死细胞。微秒级完成，而射频等热法需几分钟"煮熟"组织杀死它。不可逆电穿孔作为非热技术正涌现，虽未完全开发用于心脏应用。但我们设备有能力做它。

总结：我们设备可在多位置消融——无需移动导管。可基于同一设备得出的心律失常图谱，按需消融整个区域。这是独特的——以前未做过在同一设备绘图和消融。加上温度和力感知确保安全。

Tech Briefs: 一个问题：电穿孔电流是否穿过细胞？

Efimov博士： 是的，当你施加足够能量刺激组织或细胞，会破坏膜，因电流流过脂质膜，通常不导电。它们本质是脂肪，不导电，但施加足够能量会使膜形成孔隙并杀死细胞。

可逆电穿孔是另一应用，用稍低能量。用于大分子递送。如基因治疗，也需使细胞形成孔隙，但温和孔隙。那些孔隙随后自我修复。允许将大分子置入细胞，如RNA片段、蛋白质或其他大分子。这些无法穿透完整细胞膜，但可通过电穿孔电流产生的孔隙进入。我们也计划设备用于此。所以若心脏某区域需基因治疗，我们可提供电穿孔电流和适当治疗。

Tech Briefs: 如何将射频功率送入设备，如何获得足够射频功率加热？

Efimov博士： 好问题。说明为何设备无法真正植入。我们设备是连接电缆至外部电子的导管，安装在球囊状结构上。你切开切口，打开静脉通常在腹股沟，经静脉入心，但通过电缆连接外部电子。在心脏时部署，抽出护套成形。或向球囊注入生理盐水成形。虽接触组织，但硬连线。这是如何输送足够能量。目前不知有足够大能源能无线或电池供电输送此类能量。

Tech Briefs: 电穿孔同理？

Efimov博士： 是的，电穿孔特别需要更高能量。但此手术不需植入。仅美国每年就有数十万患者因心律失常指征接受消融。如前所述药物通常无效，唯一办法是消融。消融时插入电极，患者躺台上轻度镇静。插入电缆，做手术，取出硬件，患者回家。

但我们也在研究另一手术。事实上我开发了治疗房颤或室颤的低能量疗法植入设备，但此设备不消融。我们施加低能量脉冲序列终止心律失常。然而植入设备要求更严格，因要长期留在患者体内。

Tech Briefs: 你插图显示导管末端球囊上有大量传感器和执行器。如何互联？

Efimov博士： 可直接用蛇形线连接，允许柔性，但会有瓶颈。所以我们给每个传感器和执行器配备自有电路。若是传感器，有放大、滤波、多路复用电路。若是执行器，做多路复用。若谈高吞吐系统，多路复用必需。未来我预期需数百至数千传感器和执行器，必定需要多路复用。

Tech Briefs: 用什么执行器？

Efimov博士： 此应用仅电学，无论射频消融或不可逆电穿孔。但之前我们写过如何有光学执行器，如光谱学。那类设备执行器有LED和光电二极管。LED发特定波长光，激发心脏内分子荧光，光电二极管收集荧光。给我们心脏各种细胞过程读数，如代谢。所以有各种传感器和执行器。

Tech Briefs: 在实验动物测试过？

Efimov博士： 之前项目开发微型无电池起搏器，我们展示能植入大鼠，存活月余，长期用作心脏刺激器。

Tech Briefs: 那这设备在大鼠测试过？

Efimov博士： 我们在几种设置测试此设备，在不适合移植的离体人心，从华盛顿特区当地器官获取组织获得。最终计划人体测试。但做过猪实验。因导管按人心尺寸设计，无法在小动物测试。

Tech Briefs: 商业化大致时间表？

Efimov博士： 我稳妥说三到五年。临床创业需风投——那是下一步。

Tech Briefs: 你之前植入式除颤器工作呢？

Efimov博士： 我目标降低除颤所需能量。目前植入人胸植入式除颤器治疗室性心律失常或猝死，挽救生命。但有时在患者清醒时误触发，极其疼痛。向胸部输送巨大能量。因电击疼痛，不能用于房颤患者。房颤患者清醒，不像室颤导致猝死患者已昏迷，对他们关乎生死，不关乎疼痛。

我们工作关于如何改变除颤策略使其无痛。那是我几年工作。我们现在用植入式除颤器技术做临床试验。

Tech Briefs: 你工作将使心脏病治疗发生重大变革。

Efimov博士： 我认为会。John Rogers作为材料科学家多年工作——他自担开发生物相容电子全套制造传统：柔性、可拉伸、顺应性、不引起炎症。所有工作正在医学许多领域开花结果。我特别关注心脏病学，但也有神经学、脑机接口、神经损伤患者肌肉控制等工作。所以生物电子学领域正处于好时机。我认为未来十到十五年将极其精彩！

例如，我属NIH创立社区一部分；名为SPARC项目，专注如何控制控制外周器官的外周神经，本质控制不同疾病。交感和副交感神经系统控制身体所有器官：心、肺、胃、肠等。若能控制神经，可减轻许多疾病负担，甚至消除疾病。我们正构建接口，能刺激和记录交感副交感神经。这也将在医学许多领域变革性。

Tech Briefs: 听起来像科幻小说。

Efimov博士： 十年前它是科幻小说。事实上我正与几位合作者写另一基金申请，拟在标题用"赛博格"这个被遗忘词，因它兼具控制论和有机。

本访谈编辑版刊登于2020年11月Tech Briefs。