清华新闻网10月4日电 心脏起搏器和脑起搏器等植入式医疗设备已成为多类顽固性疾病的重要治疗手段，全球已经完成了超过100万例的设备植入。然而，现有心脏起搏器等植入式医疗器械存在电池寿命有限、手术更换电池会带来二次手术风险等缺陷。此外，为了延长使用周期，需要用到大体积的电池，造成现有设备体积大，材质硬，在植入后往往会引起患者的不适，甚至有时会造成生理排斥反应。传统起搏器应用过程中，起搏器囊袋、导线相关并发症的发生率高达10％～20％。
针对上述问题，清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组基于超声所具有的波长短、换能器小、组织穿透距离深和能量转化效率高等优势，结合柔性超声技术和柔性电路技术，研发了一种柔性可延展超声阵列及系统，可在换能器尺寸小型化的同时兼具高效能量传输性能的优势，其在植入体内后，可接收超声波的机械能并将之转换为电能使系统工作。系统内置传感、计算分析等模块，可实时监测体内生理状态信息，并将采集的生理信息通过超声波编码进行无线数据传输，进而实现了无线生理遥测。相比于商用心脏起搏器，该器件的体积缩小了28倍，且结合柔性可延展的力学设计和轻薄柔软的高生物兼容性封装，使得该植入式器件在长期监护过程中给患者带来极大的舒适性且大大减小了并发症风险。

超声波供能及通信器件的应用场景及器件展示

生物环境下器件的超声波通信实验
冯雪课题组还开展了在体动物实验，以验证该系统作为植入式心脏起搏器的应用场景。系统植入后接收超声波而开始工作，通过内置的PVDF传感器来采集心脏跳动信息，根据预编入的程序判断心脏的跳动状态，当监测出异常跳动时给与心脏电刺激作为电学治疗以实现心脏跳动再同步化的治疗目的。

在体心脏起搏动物实验
9月29日，冯雪课题组在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表了题为《柔性可延展的超声能量传输及通讯系统》（“A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication”）的论文，描述了一种新型超薄超柔的植入式超声系统，可以基于超声波进行无线能量输送以及无线数据传输，并与人体组织器官良好兼容。该系统可解决现有植入式医疗器械在体内的能源续航及供应难题，为植入式医疗器械的设计提供了一条新途径，在心脏起搏、全植入泵和人工器官等重要临床场景有重大应用潜力。
清华大学航院2020级博士生金鹏为文章第一作者，浙江清华柔性电子技术研究院副研究员付际对该工作提供了重要的系统框架设计和实验支持，冯雪是论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg2507
供稿：航天航空学院
编辑：陈晓艳
审核：曲田
2021年10月04日 08:24:32