前沿：柔性可延展的超声能量传输及通讯系统- 大数跨境

两江科技评论

2021-10-07

导读：一种新型超薄超柔无源的植入式超声系统，可以基于超声波同步实现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~

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，其次还存在着体积大，材质硬，通讯能力有限和在植入后往往会引起患者的不适等问题。开发可在人体组织环境下的实现永久的能源供应方法和高效通讯系统，是实现植入式医疗器械永久植入和与人体良好共融的核心，是推进植入式治疗器械广泛应用的关键，也是当前材料科学和生物工程领域研究的一个前沿和热点。

9月29日，清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪课题组在《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无源的植入式超声系统，可以基于超声波同步实现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，建立了一套集远程生理监测、体内智能分析、精准治疗于一体的新型综合解决方案，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。

图1 超声波供能及通信器件的应用场景及器件展示

超声波具有生物相容性好、波长短、换能器小、组织穿透距离深和能量转化效率高等独特优势，是最有潜力解决植入式医疗器械能源供应和信息通讯的技术体系。冯雪课题组基于结合柔性超声材料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柔性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（如图1A所示）。相比于传统商用心脏起搏器，该器件的体积缩小了28倍，且突破性地实现了基于超声波的无线供能及无线通信功能。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，实现了高精度的无线生理遥测功能。

为了突破植入式医疗器械系统的可延展柔性，研究者综合采用柔性材料和可延展的岛桥结构，首次实现了植入式心脏起搏系统与人体的良好融合。首先，如图1B所示，研究者对系统架构采用岛桥结构设计，将不可延展的芯片通过可延展的蛇形导线进行连接，结合微纳加工工艺，实现了最大超过20%的拉伸应变，该应变也超出了人体组织可承受的最大应变；其次，研究者选用了轻薄柔软的高生物兼容性柔性材料对系统进行封装，使得该植入式器件的名义杨氏模量低于人体组织的模量，进而实现了与人体组织良好的共融，在长期植入的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。

图2 柔性超声器件无线能量传输性能表征

为实现植入式环境下的能量供应，满足实际使用需求，研究者对该柔性超声器件进行了系统性的研究和优化，其无线能量传输性能如图2所示，超声传输深度从5mm到50mm，能量接收端峰值电压仅从4256 mV降低至1876 mV，无线能量传输深度可超过50mm。其次，该器件有着优秀的能量转换性能，以猪肉组织作为传输介质进行测试，接收的功率高达75Mw，能量密度达95.5 mW/cm²，能量转换效率高达23%。

图3 生物环境下器件的超声波通信实验

为探究该柔性超声器件的对于所监测的生理信息的无线数据传输性能，研究者进行了生物环境下进行超声通信实验，通过人为控制环境温度的变化，使用该柔性超声器件来采集及无线传输变化的环境温度（如图3所示），可以看出，所传输数据的超声波信号有着优良的信号强度，数据传输的误差低至0.3%。

图4 超声波无线通信信号时频分析

基于该超声波的无线数据传输方法，通信信号有着非常优良的信号强度和极高的信噪比（SNR=16.8）。将采集的超声通信信号，通过傅里叶变换来进行时域和频域的联合分析（如图4所示），可以看出，在时域上有效信号和噪声可以被很好的区分开，在频谱上，信号有着明显的峰值曲线，有效信号的噪声高达-75dB.

图5 在体心脏起搏动物实验

冯雪教授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。通过实验可以看到（如图5所示），系统可以准确识别正常心脏跳动状态以及异常心脏跳动状态，在心脏跳动异常时，可以精准及时的给与电学刺激治疗，且刺激信号可定制化的设定。

清华大学航院博士生金鹏为文章第一作者，付际博士对该工作提供了重要的系统框架设计和实验支持，冯雪教授是论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

*中国科协科学技术传播中心支持

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论文信息：

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).

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg2507

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