斯坦福大学鲍哲南院士课题组：术后动脉健康状况的无线监测

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通过长期的动脉健康监测可以实现对肢体缺血、中风和心脏病的早期察觉。早期狭窄、血流量减少和凝块在手术血管旁路或从患病血管中去除斑块后很常见，并可能导致上述疾病。通过在手术期间植入传感器，对患者在手术后进行无线监控，从而实现对此类并发症的早期诊断的连续动脉监测。本文中，斯坦福大学的鲍哲南院士课题组设计了一种在手术过程中包裹在动脉周围的无线电容传感器，在动脉手术后对动脉健康的进行持续监测。传感器可以对不同大小、不同位置的动脉进行超过20厘米动脉长度的监测。在人体和小动物模型中，该传感器显示了强大的监测能力和显示动脉不同程度堵塞状况的能力。该技术实现了动脉健康的无线监测，可用于症状前疾病的检测和预防。

长期连续的动脉健康监测对于发现早期周围血管疾病和预防中风是必不可少的。2015年，高血压是全球过早死亡的主要原因。研究表明，高血压、高胆固醇和动脉粥样硬化都会引起动脉内血流速率、模式和压力的变化，从而导致外周血管疾病（PVD）、心脏病发作和中风。2015年，外周血管疾病的病人占美国所有住院人数的20%，且发病率不断上升。事实上，在常规体检中，它经常被忽视。心脏病是美国人口死亡的主要原因，而中风人数占死亡人数的1 / 20，每年在美国造成的损失估计为340亿美元，也是造成严重长期残疾的主要原因。

之前有学者报道过监测患者动态血压的手腕动脉脉搏的传感器。但是，这些传感器缺乏直接测量的功能，只能依赖外部的、间接的装置（非置于血管本身）来监测血管的力学变化。这些外部方法的主要限制是传感器不能直接植入动脉，限制了监测特定动脉的能力，特别是手术部位等高风险区域的动脉。然而，最近工作表明，在动物模型中使用动脉脉冲传感器进行直接、连续的体内测量是可行的。同时，在体外也可以监测人工动脉血管的堵塞状况。本文的目标是设计一种无线压力传感器，可以检测短期和长期动脉压力的变化，从而实现术后血管健康和功能的连续监测。该传感器可在开放手术过程中植入，如颈动脉搭桥、颈动脉内膜切除术、冠状动脉搭桥和下肢搭桥等手术。短期使用可以监测在上述手术中的两根血管连接处的血管吻合状况，此为早期狭窄、血流减少和/或血栓的常见发生部位。设计一种可以直接持续长期监测局部血压的无线传感器，将有助于早期检测，从而更及时地治疗，以避免心脏病、中风和肢体缺血（取决于手术部位）等并发症。心脏病预防将针对那些接受冠状动脉搭桥手术的患者。大约8%的患者（超过32000名）在搭桥手术后的头5年内发作了非致命性心脏病。事实上，仅在美国，冠状动脉搭桥术后再次入院的费用每年就超过2.5亿美元。此外，大约10%的患者最终因心血管死亡。在颈动脉内膜切除术或颈动脉搭桥手术中植入传感器可以预防中风。4-5%的手术仅在颈动脉内膜切除术的前30天就出现了非致命性中风，并伴随死亡率的增加。此外，1年内死亡风险为5.1%，5年内死亡风险为9.4%。每年有超过10万人接受颈动脉内膜切除术，这意味着其中超过9400名患者的中风是可以预防的。通过在下肢搭桥手术中插入传感器，可以对外周血管疾病进行早期检测。目前，初次住院后的术后监测（如多普勒血流显像）并不常见，而且在临床评估中也没有监测动脉的方法。例如，在股骨股动脉搭桥手术（下肢搭桥手术的一个分支）中，虽然医生建议每年进行临床随访，但这意味着在这些年度预约之间并没有任何监测。因此，持续、长期的监测可以早期发现，帮助预防复发疾病。该传感器将能够检测动脉内的压力变化，在症状出现之前通知患者进行进一步检测。

文中，鲍哲南团队设计和制造了一种新型无线动脉血压监测传感器，有望应用于广泛类型的关键动脉外科手术中。该传感器轻薄而灵活，无论动脉大小和植入位置，均适用。某些情况下，无法知道相对于传感器压力累积的确切位置，因此能够大范围监测传感器上下游的动脉情况是很重要的。作者同时设计了简单的方法来预测传感器在体外的性能变化，以对应动脉从部分到完全堵塞的情况。该传感器使用一种完善的无线频率耦合方法进行连续监测，实现无线操作。在人体尸体和大鼠模型测试中，该传感器在进行性动脉堵塞、生物相容性、脉搏监测和长期动脉监测等方面均表现出良好的响应效果。

传感器的生物相容性设计

文中为可植入传感器，包裹在动脉周围，以检测大范围内动脉中血流的变化情况。首先，该传感器在压力传感系统中敏感，能够检测动脉在其附近时的变化且能测量物体在接触之前与传感器的距离。实验使用了一个电容式压力传感器，其中电极为平面，以利用电容条纹场。之前通过计算和实验证明，条纹场传感器能够通过干扰条纹场的物体进行近距离传感。电极为叉指设计，以增加边缘电容的数量和电场强度，从而提高感测灵敏度。这一点很重要，因为根据动脉的直径和它在体内的位置，传感器可能只在手术植入时与动脉部分接触。与大块材料和其他微结构形状相比，所使用的金字塔弹性微结构也显著提高了传感器的灵敏度。

文中所选材料均具有良好生物相容性。选用重量比 10：1 的聚二甲硅氧烷（PDMS）和PDMS交联剂为封装材料， 衬底为聚酰亚胺（厚度80微米），这些材料在体内外均有很好的生物相容性。压力响应元件为更低的模量的PDMS（23：1），PDMS其具有良好的生物相容性，低压缩模量可用于高压力敏感性，并且可以忽略压力响应迟滞。实验表明，PDMS、聚酰亚胺、聚马来酸八亚甲基（酸酐）柠檬酸酯（POMaC）与对照组在1周和12周的组织炎症方面存在无统计学意义方面的差异。POMaC是一种生物可降解材料，所选材料的生物可降解性与之相差不大，显示了其较高的高生物相容性。最后，因为铜电极易于制造，具有无线通信所需的高导电性和高兼容性，选择了铜作为电极、电子互连和无线天线。铜用于植入设备已有50多年的历史。事实上，铜在植入物中会显示出帮助消炎的特性。然而，需要注意的是，铜层被PDMS完全封装，因此，预计不会与主体接触。由于每个传感器的材料成本低于1美元，所以该可植入设备具有很高的经济性，且其成本可被大概率进一步降低。

接下来是传感器的制造再现性和稳定性特征。首先，20多个传感器的测试结果一致，灵敏度（S）为0.015±0.0035 kPa^-1 （0 - 3 kPa），0.0022±0.00049 kPa^-1 （3-38 kPa）和0.00038±0.00011 kPa^-1 （38 - 100 kPa）。证实了所制传感器的性能一致性。其次，传感器可重复响应超过24小时的数万次循环。此外，传感器的响应在30天内是稳定的，即使在水里最初的一段时间内（少于2天）。测压能力保持完好，证明其性能至少在30天内保持稳定。

体外设计和传感器表征

为再现体内环境，文中利用三种体外环境对传感器进行了表征：脉动气泵、连续流量水泵、机器人夹持器产生脉动的连续流量水泵。目的是评估传感器的相关性和多功能性，以监测在不同的动脉类型和动脉大小情况下，传感器在体内的效果。体外研究中，以5条大动脉为目标：桡动脉、冠状动脉、颈动脉、股动脉和腘动脉。桡动脉的内径为2.2-3.03 毫米，在重症监护病房为最常监测动脉类型。冠状动脉堵塞会导致冠状动脉疾病和心脏病发作。15-34岁男性左主冠状动脉直径为3.38-6.14 毫米。腘动脉常伴有周围血管疾病，其典型直径为4.8- 7.6 毫米。股总动脉的平均直径为6.6 毫米 （3.9-8.9 毫米）。颈动脉，直径6.3-7.5 毫米，常在15-25岁的男性和女性中与颈动脉疾病相关，可导致中风。

为了模拟这5条动脉，团队使用了内径为2-7毫米的聚烯烃管或人造动脉 （Syndaver）。首先，使用一个带有生理脉动率的脉动气泵，在一端连接一个5或6 毫米内径的聚烯烃管，传感器包裹在聚烯烃管上。结果表明，传感器可以对每个频率的波动做出响应，并能区分与心脏搏动相关的不同频率。为了更好地模拟人体应用，进一步在传感器上覆盖了1磅人造脂肪、皮肤和肌肉。这种情况下，传感器的响应实际上更强，可能是因为传感器和聚烯烃管之间的接触更加紧密。这使我们能够观察传感器对波动的反应，但有些信息是无法通过这个系统获得的。例如，管内的循环与体内的血液循环之间存在差距，聚烯烃管不能完全模仿动脉的属性，只有空气通过管道运行，并且空气是被吸出系统而不是像体内血液一样被注入系统。

为了解决上述问题，作者使用了一个连续流动的水泵和一个人造动脉来模拟动脉。此时，血流是循环的，因此可以用传感器监测部分和全部动脉狭窄的情况。同时将1磅人造脂肪、皮肤和肌肉层包裹在环绕人造动脉的传感器上，以更好地模拟体内的环境。传感器包裹在不同直径的动脉（2毫米、4毫米、6毫米和7毫米）。所有人工动脉长度在12-15厘米之间。考虑到连接器和传感器的宽度，分析时距离传感器最远的动脉长度为10厘米。由于传感器的临床目标是植入手术部位，而不是整个长度的动脉，所以需要确认传感器能够对传感器植入处上游和下游10厘米的堵塞作出反应。对于传感器下游的堵塞，由于压力累积，电容会增加。4条人工动脉中，传感器下游10厘米处存在堵塞时，传感器均能监测到。当传感器的下游有一个完全的堵塞时，由于传感器所在的上游的压力会增加，导致检测电容的增加。值得注意的是，尽管在体外装置中，评估传感器对距离传感器超过10厘米时的堵塞反应能力存在局限性，但在该距离上的清晰响应表明，传感器很可能可以检测到超过10厘米处的堵塞。

实验结果表明，所设计的传感器能够从传感器植入处的上游和下游广泛距离内监测到动脉堵塞情况。这是很重要的，因为在临床应用中我们不知道堵塞相对于传感器的确切位置，我们的目标是能够在完全堵塞之前，甚至在患者出现症状之前监测到动脉健康情况。尽管传感器能够监测部分或全部堵塞的上游至少10厘米的堵塞程度，但仍观察到传感器离堵塞越近，信号响应就越强。对于传感器上游的部分堵塞，传感器响应强度依赖于距离堵塞处的距离。在堵塞处的下游，血管壁随着流量和压力的高频振荡而发生改变。这是由于堵塞处下游血液存在湍流，并维持了部分通过动脉的流动。在经历振荡峰值的动脉区域，测量的传感器响应电容增加；而由于狭窄导致的流量和压力减少，动脉的其他区域的检测电容值会出现下降。在所有情况下，当传感器上游的动脉完全堵塞时，由于传感器区域的流量减少，所测压力和电容都将降低。实验结果表明，在传感器上游10厘米处发生堵塞时，传感器可以检测到完全的动脉堵塞情况。当然，信号的强度取决于传感器距离堵塞处的位置。值得注意的是，当部分堵塞发生在传感器上游3厘米处时，传感器很可能处于高频振荡的峰值之间，因此观测到电容降低。然而，在所有情况下，传感器都能够检测堵塞程度的变化，预示其在体内同样的工作的能力，并在患者出现症状之前可以进行早期动脉堵塞检测。这种体外测试系统的主要限制是并不能完全实现人体内的脉动情况。

为了解决这一问题，可在腘动脉和颈动脉的正常范围内，使用一个机器人夹持器，以60 s^-1频率振荡，实现直径10- 15%的变化。结果表明，即使在连续血流系统中添加脉动，所设计传感器也能够检测到部分动脉堵塞时的变化。

当传感器上游1厘米处发生部分堵塞，由于人工动脉内的面积缩小，脉搏的变化可以清晰地被区分出来。用1磅人造脂肪、皮肤和肌肉被包裹在人造动脉周围的传感器上时，信号响应更强。在所有情况下，传感器都可以检测到脉动，同时还可以将不同的堵塞状况进行区分。基于以上实验，该传感器将能够很好的监测体内的动脉脉压状况。

无线传感器设计与评估

为了提高患者舒适度和减少长期感染风险，作者设计了一个电阻-电感-电容电路，以实现无线监测。无线电路由电容式压力传感器和电感线圈串联而成。LC电路的谐振频率由电容（C）和电感（L）的值决定。之前的工作中表明，电容式压力传感器的初始电容为1.79±0.15 pF 。然后作者设计了一个尺寸小于1毫米 × 1毫米的微型天线线圈用于微创手术。以~100 nH为目标，实现LC谐振频率<1GHz。LC谐振频率范围为300-400MHz，满足了系统与微型矢量网络分析仪（mini-VNA）进行无线通信的要求。

RLC谐振器的频率与电容的平方根成反比。因此，当施加压力时，无线设备中的电容会增加，而频率则减少。为了实现通过皮肤无线监测到这些变化，将电感耦合与一个外部读取线圈相结合，测量散射参数S₁₁作为依照。当对传感器施加100g或12.5 kPa的压力时，所测频率降低，且当压力移除或增加时，该信号响应可逆。在不同压力下 （0、0.011、0.13、0.26、0.64、1.3、2.5、6.3、12.5 kPa），使用10个不同的传感器重复这一过程，以确定频率随压力的变化。结果表明，在所有情况下，随着压力的增加，频率均降低。

进一步的实验证实，所设计的LC传感器可以有效监测动脉搏动和动脉堵塞情况。在体外环境下对无线传感器进行评估，以确定其可靠性和稳定性。实验中，作者采用了与人工动脉相连的连续流动水泵的体外环境，并在包裹人工动脉的传感器上包覆1磅人工脂肪、皮肤和肌肉。在天线上还放置了1毫米厚的人造皮肤（Syndaver），以更好地预测传感器在体内透过皮肤的响应。无线传感器对动脉堵塞处的上下游均具有良好的响应。当传感器上游发生部分堵塞时，传感器处管内流量减少，导致电容降低和频率增加。当传感器下游有部分堵塞时，情况正好相反。此时，堵塞导致管内流量减少，压力增大，使得电容增加，从而导致频率降低。

为评估动脉周围的传感器封装的稳定性，将无线传感器分别包裹在内径6 毫米和 7毫米人工动脉上，同时在水中储藏三天。这样做是为了确定传感器的植入稳定性，便于以后的体内性能研究。为更好地模拟体内环境，两种情况中，传感器上均放置1磅人造脂肪、皮肤和肌肉与1毫米皮肤。实验结果表明，三天内，传感器对人工血管部分堵塞的上游和下游均具有良好的响应。同时，实验再次表明，当传感器上游发生堵塞时，由于传感器处的管内流量减少，电容减少，从而导致监测的频率增加；当堵塞位于传感器下游时，由于压力积聚和电容增加，监测到的频率降低。

人体尸体内的堵塞监测

为了检验传感器在人体中的表现，团队将传感器应用在人体尸体的股动脉处。通过一个生理上精确的脉动水泵将盐水（0.15-0.2 M）以每分钟60次（bpm）的速度注入，模拟正常的人类血液流经动脉的脉搏频率。使用盐水是因为它具有与血液相似的介电常数和电导率。将传感器包裹在股动脉周围，并使用微型矢量网络分析仪（mini-VNA）进行无线监测。实验过程中，将从臀部到膝盖的大部分打开，以便更好的验证传感器监测上下游部分和完全堵塞的能力。为了保持血管通畅，除非另有说明，腿部切口在研究期间保持开放。当然，在实际临床应用中，，传感器的植入不需要额外的手术或手术切口，将应用于手术中已经可见的动脉位置处。由于微型矢量网络分析仪缺乏连续测量能力，我们以标准偏差作为误差棒，对每一种情况进行了5个数据点的平均，以衡量动脉内脉动引起的波动。

由于在外周血管疾病、颈动脉疾病或其他动脉疾病中无法预测堵塞的位置，作者检测了传感器对上游和下游对堵塞的响应情况。当堵塞物被放置在传感器下游8.5 厘米处时，传感器检测到预期的压力，所测频率下降。由于下游堵塞，盐水在堵塞的上游（传感器所在的位置）积聚，导致压力和电容的增加，从而所测频率降低。值得注意的是，这个长度包括股总动脉和股浅动脉。当阻塞物放置在传感器上游2.7 厘米时，传感器能够检测到阻塞程度的变化。当动脉部分堵塞时，由于血流和压力的频率振荡变高，传感器检测到压力增加。然而，完全堵塞限制了任何流向传感器区域的血流，从而降低了动脉内的压力。这种压力的降低导致传感器电容的减少，从而增加频率的变化。因此，所设计的传感器能够检测长度至少11.2 厘米以上的股总动脉和股浅动脉堵塞的情况。虽然很难预测何时会发生堵塞，但是通过尸体大腿处的实验以及之前的体外实验， 作者预测所监测的血管长度至少在40厘米（上下游各20厘米）。通过测量股骨的平均长度（女性为40厘米，男性为45厘米）后得知，传感器能够监测股腘动脉下肢旁路术后的整个血管。因为颈动脉和冠状动脉都比该次实验的血管短，所以这是文中能监测的最长血管距离。能有进行长距离的监测是至关重要的，因为我们无法确知术后堵塞会在血管的哪个部位发生，距离传感器有多远。

为了确保透过腿部皮肤和脂肪的无线读取能力，将传感器天线放置在皮肤表面以下约1厘米处，周围是脂肪。结果表明，透过腿部1厘米的脂肪和皮肤仍然可以检测到清晰的信号。在临床应用中，传感器天线可被直接植入到皮肤下方，以获得最强的信号，这部分将在体内监测部分进一步讨论。在这种情况下，无法预测植入传感器需要的长度，以及它需要在皮下的植入的深度。在临床环境中为了适应这一点，传感器和天线之间的线长可以根据血管直径和植入位置进行调整。

体内动脉压监测

之前的工作评估了在对整个装置进行体内测试之前，包装材料与聚酰亚胺衬底的生物相容性。此处的实验是为了验证传感边缘场电容用于动脉堵塞监测操作的正确性，整个传感器的生物相容性，以及透过活体小动物模型的皮肤验证无线信号的监测能力。大鼠股动脉明显小于人桡动脉、股动脉或颈动脉，其压力变化也小于人股动脉和颈动脉。此外，由于大鼠的解剖结构更小，与人类相比，传感器在大鼠体内的移动更多，特别是在小动物模型中，传感器通常被植入关节附近。此外，大鼠股动脉的脉动行为与人类动脉相似，但频率更高。在这项研究中，被单独饲养的雄性Sprague-Dawley大鼠的心率大约为300-400次/分钟，而人类的静置心率不到它的四分之一。动物模型越小，血管越小，则血管直径变化也越小。因此，通过选择更小的动物模型，可以确保传感器即使在直径变化更小、血管更硬、血管舒张更少的人体血管上或者在心动过速患者上也能表现良好。因此，包裹在大鼠股动脉上的传感器的性能应可以代表它在人身上所表现的最低性能。

将尺寸为6毫米 × 55毫米的传感器包裹在Sprague Dawley大鼠股动脉周围，通过传感器两侧的PDMS缝合固定。实验中重复确认体内动脉压监测结果，并修改PDMS封装层的总长度（~ 60毫米），来提高整个系统的灵活性。传感器与微芯片缝合固定，避免引入额外的孔设备和小的分支血管被切断的可能性，以允许一些传感器沿着血管随着大鼠的腿而运动。实验中所有的堵塞都物均被放置在传感器的上游。在皮肤层下方直接创建创口放置传感器，以实现来自传感器天线线圈长期监测的最强信号。创口内传感器包裹在股动脉上，天线线圈保持靠近感应耦合的外部读取线圈，并使用网络分析仪和微型矢量网络分析仪记录S₁₁参数。与多普勒超声进行比较。微型矢量网络分析仪用于监测类似于临床靶点的传感器，相较传统网络分析仪更经济、更紧凑。在微型矢量网络分析仪中，通过在给定条件下进行多次测量来解释脉动引起的变化，类似于人体尸体研究。

使用外部多普勒超声监测脉搏率，与传感器进行比较。脉搏率是通过取10秒内的平均跳动时间的倒数来计算的。使用多普勒超声记录声音的波形，来确定脉冲。放置在皮肤创口中的天线线圈测试传感器的响应，所测脉搏率约为6.18次/秒（bps），与多普勒超声的结果非常吻合。比较多普勒超声响应和传感器的响应，发现无线传感器和多普勒超声之间的总体误差为1.6%，显示出几乎相同的响应。对另外4只大鼠重复研究时，无线传感器和多普勒超声之间的总误差只有1.1%。这种对快速脉搏率做出反应的能力表明，传感器甚至能够测量心动过速患者的脉搏率。将传感器与市售有线Cook Swartz 多普勒探头进行比较，Cook-Swartz多普勒探头必须依靠医生识别声音信号的变化来检测堵塞。数据比较后，文中传感器的定量读数具有更大的优势，在处理传感器读数时更加客观。

为了进一步演示无线传感器的性能，需进行堵塞测试，使用微型外科钳堵塞股动脉15-20秒，然后释放。目的是评估传感器对动脉血流变化的响应。在许多医疗条件下，血管内的斑块积聚或血凝块形成会减慢流经动脉的血液流动。通过应用手术钳，模拟了类似于在体外和人体尸体研究中的狭窄情况。值得注意的是，堵塞是局部的，模拟术后潜在的血凝块情况。外部读取器天线再次使用网络分析仪和微型矢量网络分析仪监测S₁₁参数。

在传感器天线线圈和读取器线圈之间没有屏障的情况下，将传感器植入评估。当无线传感器与动脉接触良好时，响应较强。可以看出，增加了手术夹后，频率增加了很多。这种增加是由于动脉内的压力下降，导致部分堵塞，血流减少。然而，即使与动脉的连接较弱，反应仍然清晰。实验结果表明，加入手术夹后，频率降低，取出手术夹，频率增加。在这种情况下，由于压力的增加，夹钳的加入导致频率降低，可能是由于夹钳位于传感器的上游（压力和流量的高频振荡的峰值位置）。值得注意的是，由于动脉的粘弹性特性，在取下夹后，动脉并没有立即完全恢复到原来的状态。

将传感器天线线圈放置在为其创建的皮肤创口中，以模拟传感器通过皮肤的长期监测性能。值得注意的是，无线传感器透过皮肤检测到部分血管堵塞，所有受试者结果一致（n=3）。由于动脉不能立即从堵塞中恢复，所以在部分堵塞解除、血流完全恢复后，频率不能立即恢复到原来的值。这个趋势是一致的（n=3），误差条表示3只大鼠的频率变化的标准误差。这表明，即使透过皮肤检测，无线设备也能正确和一致地运行。另外4只大鼠体内重复实验测试结果一致。事实上，即使手术部位完全堵塞，信号仍然很强，表明传感器可以通过皮肤进行长期监测，并通过消除导线消除植入部位的潜在感染。

监测传感器大鼠植入后的生物相容性和反应的稳定性。受试者在麻醉恢复后能够立即活动而没有任何明显的肢体损伤。此外，为了表征传感器植入后的时间稳定性，在传感器植入后不断进行信号测试。确保监测传感器信号的稳定性，所输出信号的任何变化都是由于动脉内压力的变化而不是由于漂移造成。传感器信号在超过两周的时间内是稳定的（n=3），信号变化均在动脉搏动引起的波动范围内。在植入后2周，所有植入传感器都能检测到来自动脉的脉搏，与外部多普勒超声获得的脉搏率密切匹配。而Cook-Swartz 多普勒超声传感器只能维持的1周时长。在第一轮体内研究中，传感器在植入后3周后被撕裂，不再完整。这可能是由于在腿部运动时传感器和周围分支小血管之间的相互作用，以及在植入时使用缝合线时引入孔造成的。为此，在第二轮的体内研究中，对传感器封装层的长度以及传感器的解剖和植入位置进行了微小的改变，从而提高稳定性，使传感器在三周内都保持完整。植入后三周，将传感器从大鼠体内取出，观察周围动脉和组织的异物反应。传感器植入部位周围未见严重炎症，组织学评估显示动脉通畅。

在这项研究中，鲍哲南团队设计制造了一种具有低成本效益的传感器，评估了其性能特征，用于早期检测与外周血管疾病、心脏病发作和中风相关的动脉堵塞。采用叉指电极设计和金字塔弹性微结构，所设计的条纹场传感器由生物相容材料制成，具有强大的压力和距离感测能力。本文设计了三种体外环境，以评估传感器监测生理脉动率的能力，对各种大小的人工动脉、部分和完全堵塞情况的响应，以及动脉搏动和堵塞的区别。该传感器实现无线化，即使透过人工皮肤也可以清楚地观察到信号检测的响应趋势。该传感器还能够对人体尸体股动脉的部分和全部堵塞作出反应（传感器上下游超过11厘米的动脉长度）。在体内研究中，使用小动物模型对传感器的性能、稳定性和生物相容性进行初步评估，这比在大动物模型上测试更具挑战性，因为小动物模动脉尺寸较小、信号较弱，同时血管压力的较小变化。监测了传感器在人体尸体股动脉中的性能，以评估其在成人正常范围内的临床监测潜力。进一步评估颈动脉旁路处的传感器使用，可应用在颈动脉内膜切除手术、冠状动脉搭桥，下肢旁路手术后。被评估其反应级数的动脉生成长度至少40厘米（传感器上下游各20厘米）。在所有病例中，术后短期和长期监测均在手术部位周围进行，以监测动脉堵塞的复发。平均21.0%的患者在内膜切除术后的第一年至少出现中度再狭窄或堵塞，近30%的患者在内膜切除术后的5年内出现再狭窄或堵塞，下肢搭桥术后3年再狭窄发生率为39% 。在下肢搭桥手术后的第一年，有12%的发生移植物堵塞。冠状动脉搭桥术后，移植物堵塞率为4.3% 。不同患者术后狭窄和堵塞的发作位置大都不同，因此监测长度较长动脉的能力对早期发现动脉堵塞是至关重要的。

未来的工作包括评估更大的动物模型，以更好地预测传感器在人体内更大的动脉处的和距离关节更远处的动脉的监测性能。这也将有助于评估传感器在具有较长距离和显著分支的动脉处的表现，以便更接近人体内的实际情况。此外，可以选择在体内长期稳定的材料，以限制PDMS的膨胀，同时保持材料的力学稳定性和灵活性。确保传感器在术后至少5年内（在此期间有较高的狭窄率，血流减少和/或血栓的产生几率）的稳定性。

所制备的传感器具有多功能性、采用商用材料和易于制造等特点，具有很强的临床应用潜力。其中一个主要挑战是透过皮肤定位传感器天线。首先，预计与大鼠相比，人类受试者植入天线处运动更少，这意味着天线的位置应该相对更稳定。这是因为人的体积更大，植入可选位置更多，可以选择较少受关节运动的影响的区域。此外，为了使传感器更适用于临床应用，可以选择更大的天线线圈。这将为传感器提供更大的工作范围。此点在小动物模型中受到诸多限制，因为天线线圈的可用面积很小。但对于人体受试者来说，制作更大的天线线圈将其植入皮肤下是可行的，以提高传感器信号的检测范围。此外，虽然文中仅使用了一种传感器尺寸，但实际可以使用更大范围的线长度，甚至可以根据动脉尺寸定制传感器大小。并且，不同患者动脉之间的大小差异很大，不同类型的动脉和皮肤之间的距离也可以有很大的差异，因此应该有一系列的标准尺寸的传感器与不同的导线长度供选择临床使用。这简化了为每个患者安装传感器的过程，并使传感器在广泛的应用中更加通用。

总而言之，本研究介绍了一种生物兼容的、无线的边缘场电容传感器，其具有长期监测大范围动脉健康的潜力，可用于早期监测与中风、外周血管疾病和心脏病发作相关的部分动脉堵塞情况。

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊iScience上。

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)01047-6

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