心髒起搏（bó）器和腦起搏器（qì）等（děng）植入式醫療設備已成為多（duō）類頑固（gù）性疾病的重要（yào）治療手段，全球已經完成了超過（guò）100萬例的設備植入。然而，現有植入式醫療器械存在電池壽命有限、手術更換電池會（huì）帶來（lái）二次手術（shù）風險等缺陷，其次還存在（zài）著體積大，材質硬，通訊能力有限和在植（zhí）入後往往會（huì）引起患者的不適等問題。開發可在人體組織環境（jìng）下的實現永久的能源供應方法和（hé）高效通（tōng）訊係統，是實（shí）現植（zhí）入式醫療器械永久植入和（hé）與人體良好共融的核心，是推進植入式治療器械廣泛應用的關鍵，也是當前材料科學和生物工程領域研究的（de）一個前沿和熱點。
9月29日，我院與清華大學馮雪教授課題組（zǔ）共同合作的柔性超聲能量傳輸及通訊技（jì）術研究工作在《科學進展》（Science Advances）期刊（kān）上發表。文章題（tí）為《柔性可延展的超（chāo）聲能量傳輸及通訊係統（tǒng）》（“A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication”），描述了（le）一種新型超薄超柔無源的植入式超聲係統，可以基於超（chāo）聲波同步實現無線能量輸送以及（jí）無線數據傳輸，並與人體（tǐ）組織器官良好兼容。該係統可解決現有植（zhí）入式（shì）醫療器械在體內的能源（yuán）續航及供應難題，建立了一套集遠程生理監測、體內（nèi）智（zhì）能分析、精準治療於一體的新型綜合解決方案，為（wéi）植入式醫療器（qì）械的設計（jì）提供了一條新途徑（jìng），在（zài）心髒起搏、全植入泵和人工器官等重要臨床場景有重大應用潛力。
圖1 超聲波供能及（jí）通信器件的應用（yòng）場景及器件展（zhǎn）示
超聲波具有生物相容性好（hǎo）、波長短、換能（néng）器小、組織穿透距離深和能量轉化效率（lǜ）高等獨特優勢，是最有潛力解決植入式醫（yī）療器械（xiè）能源供應（yīng）和信息通訊（xùn）的技術體係。馮雪課題組基於結合柔性超（chāo）聲材料技術和柔性電路技術，研發了一種柔性可延展超聲陣列及係統，可在換能器尺寸小型化（huà）柔性化（huà）的同時兼具高效能量傳輸性能（néng）的優勢，其在植（zhí）入體內後，可接（jiē）收超聲波（bō）的機械能並將之轉換為電（diàn）能（néng）使係統工作（如圖1A所示）。相比於傳統商用心髒起搏（bó）器，該器件的體積縮小了28倍，且突破性地實現了基於超聲波的無線供能及無線（xiàn）通信功能。係統內置傳感、計算分析等模塊，可實時監測體（tǐ）內生理狀態（tài）信息，並將采集的生理信息通過超聲波編碼進行無線數據傳輸，實現了高精度的無線（xiàn）生理遙測功能。
為了突破植（zhí）入式醫療器械係統的（de）可（kě）延展柔性，研究者綜合采用柔性材料和可延展的（de）島橋結構，首次實（shí）現了植入式心（xīn）髒起搏係統與人體（tǐ）的良（liáng）好融合（hé）。首先，如圖1B所示，研究者對係統架構采用島橋結構設計，將不可延（yán）展的芯片通過可延展的蛇形導線進行連接，結合微納加工工藝，實現了最大超過20%的拉伸應變（biàn），該（gāi）應變也（yě）超出了人（rén）體組（zǔ）織可（kě）承受的最大（dà）應變（biàn）；其（qí）次（cì），研究者選用了輕薄柔軟的高生（shēng）物兼容性柔性材料對係統進行封裝，使得該植入式器件（jiàn）的名義（yì）楊（yáng）氏模量低於人（rén）體組織的模（mó）量，進而實現了與（yǔ）人體組織良好的共（gòng）融，在長期植入的過程中給患者帶來極大的舒適性（xìng）且大大減小了並發症風險。
圖2 柔性超聲器件無（wú）線能量傳輸性能表征
為實現（xiàn）植入（rù）式環境（jìng）下（xià）的能量供應，滿足實際使（shǐ）用需（xū）求，研究（jiū）者對該柔性超聲器件進行（háng）了（le）係統性（xìng）的研究和優化，其無線能量（liàng）傳輸性能如圖2所示，超聲傳輸（shū）深度從5mm到50mm，能量接收端峰值（zhí）電壓僅（jǐn）從4256 mV降低至1876mV，無線（xiàn）能量傳輸深（shēn）度可超過50mm。其次，該器件有著優（yōu）秀的能量轉換性能，以豬肉組（zǔ）織作為傳輸介質進行測試，接收的功率高達75Mw，能量密度達95.5mW/cm2，能量轉換效率高達23%。
圖3 生物環境下器件的超聲波通信實驗
為探究（jiū）該柔性超聲器（qì）件的對於所（suǒ）監測的生理信息的（de）無（wú）線數（shù）據傳輸性能，研究者進行了生物環（huán）境下進行超聲通信實驗，通過（guò）人（rén）為控製環境溫度的變（biàn）化，使用（yòng）該柔性超聲器件來采集及無線傳輸變化的環（huán）境溫度（如圖3所示），可（kě）以看出，所傳輸數據的超聲波信號有著優（yōu）良的（de）信號強度，數據傳（chuán）輸的誤差低至0.3%。
圖4 超聲波無線通信（xìn）信號時頻分析
基於該超聲（shēng）波的無線數據傳輸方法，通信信號有（yǒu）著非常優良的信號強度和極高的信噪比（SNR=16.8）。將采集（jí）的超聲通信信號，通過傅裏葉變換來進行時域和頻（pín）域的聯合分析（如圖4所示），可以看出，在時（shí）域上有效信號（hào）和噪聲可以被很好的區分開，在頻譜（pǔ）上，信號有著明顯的峰值曲線，有效信號的噪聲高達-75dB.
圖5 在體心髒起搏動物實驗
研究（jiū）者還開展了（le）在體動物實驗（yàn），以驗（yàn）證該（gāi）係統作為植入（rù）式心髒起搏器的應用（yòng）場景（jǐng）。係統植（zhí）入後接收超聲波而（ér）開（kāi）始工作，通過內置的PVDF傳感器來采集（jí）心髒跳動信息，根據預編入的程（chéng）序判斷心髒的（de）跳動（dòng）狀態，當監（jiān）測出異常跳動時給與心髒電刺激（jī）作為電學（xué）治（zhì）療以實現心髒跳動再同步化的治療目的。通過實驗可以看（kàn）到（如圖5所示），係統可（kě）以準確識別正常心（xīn）髒跳動狀（zhuàng）態以及異常心髒跳動狀態，在心（xīn）髒跳動異常時，可以精準及時的給（gěi）與（yǔ）電學刺（cì）激治療，且刺激信號可定製化（huà）的設定。
清華（huá）大學航院（yuàn）博士生金鵬為文（wén）章第一（yī）作（zuò）者，馮雪教授是論文通訊作者。浙江清華柔性電子技術研究（jiū）院付際博士對（duì）該工作提供了重（chóng）要的係統框架設計和實驗支持，陳穎博士參與該研究（jiū）。該研（yán）究工（gōng）作得到了包括區域聯合基（jī）金項目（集成項目）在內的多個國（guó）家自然科學基金項目的資助。
原文信息：P. Jin, J. Fu, F. Wang, Y. Zhang, P. Wang, X. Liu, Y. Jiao, H. Li, Y. Chen, Y. Ma, X. Feng, A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication. Sci. Adv. 7, eabg2507 (2021).
原文鏈接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abg2507
