CN113180629A - 一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,包括:柔性器件和后端电路;柔性器件包括柔性负拉阻应变传感器、柔性可延展电极和LED阵列,柔性应变传感器阵列在受到压力时具有阻值随压力的增大而减小的特性,用于检测心脏跳动时在舒张和收缩状态下的应变变化;LED阵列设置于柔性可延展电极上,通过LED阵列的光抑制已转染的心肌细胞之间的电信号传输,同时利用LED阵列电路中柔性负拉阻应变传感器来自适应地改变光强,达到高效且低能耗地终止心动过速的目的。后端电路具有采集数据、数据分析和发送光刺激命令。本发明安全可靠、光照面积大,且具有全柔性、自适应的优点,可用于心率失常领域的研究。
Description
技术领域
本发明涉及医疗电子器械领域,具体地,涉及一种柔性的基于负拉阻材料和光遗传学的自适应抑制室性心动过速的系统。
背景技术
心肌梗死和心力衰竭是猝死的最重要的危险因素,随着生活节奏不断加快和不良的生活习惯,急性心肌梗死(AMI)的发病率逐年升高,根据《中国心血管健康与疾病报告报告2019》,2002年至2017年间AMI的死亡率总体呈上升趋势。心律失常是AMI最常见的并发症之一,其中阵发性室性心动过速(PVT)发生率约6-40%,它常是室性心动过速和心室颤动发作的先兆,极易导致心源性猝死。室性心动过速(VT)定义为:心跳频率超过100次/min(对人而言),连续3个或3个以上的自发性室性电除极活动。如果是心脏电生理检查中心脏电刺激所诱发的室性心动过速,则必须是持续6个或6个以上的快速性心室搏动(频率大于100次/min)。所以对心脏病患者以及潜在患者来说,预防、检测并及时治疗VT对预防心肌梗死导致的猝死是非常重要且必须的。
目前治疗VT的手段主要有药物治疗、埋藏式心脏转复除颤器(ICD)、射频消融术,且总体来说,ICD仍然是目前预防猝死较为有效的治疗手段,但是ICD存在明显的缺点。由于ICD产品因生产厂商不同,所能达到的最大电击放电量存在较大差异,其能量可程控范围一般为0.1-34焦耳,少数产品最大电击能量可达42焦耳。由于电击对神经纤维和骨骼肌的直接刺激,所以其在放电过程中会给病人造成明显的不适与痛苦。此外,ICD电击对细胞类型没有选择性,放电电极周围所有的组织和神经细胞均会受到电击的影响,长期植入不仅能耗较大,还可能会对周围肌体造成不可控和不可逆的意外损伤,出现其他并发症。因此,为了克服以上问题,一种新型的基于光遗传学的心律失常治疗手段引起了科学家们的极大关注。
光遗传学(Optogenetics)是通过光学和遗传学结合的方式,实现对生物行为精准控制的技术,即将光敏蛋白表达于靶细胞或者靶器官上,利用相应波长的光照实现对细胞、组织、器官和生物功能的精准调控。这种方式具有细胞选择性、高时空精准性、节律调控性和双相调控性等明显优点。但是对于室性心动过速模型来说,目前光遗传学的治疗手段还存在以下不足:1.非闭环的控制回路,且光强调控不具备自适应特性;2.现有的研究都采用的是急性病理造模,准确性有待提高;3.光刺激的光源是固定的单颗光源,无法针对光照面积、光照区域进行深入分析。基于以上不足,一种基于心肌光遗传学的闭环检测室性心动过速的自适应终止系统具备重要的科研和临床应用价值,对心脏光遗传学领域具有非常重要的意义。
除此之外,随着柔性电子的发展,可拉伸器件也在介入式医疗领域得到了很大的发展。常见的可拉伸应变传感器大多都是随着应变的增大呈现电阻的数量级的上升变化,但是这种电阻的上升趋势并不利于该类传感器与后端电/光致变色的可视化或其他应用的实现,同时也存在噪声等问题,所以一般只能单纯用作传感检测。而柔性可拉伸的负拉阻器件由于在拉伸过程中,电阻和应变呈现负相关,即在应变增大时,电阻显著下降,因而具备独特的电流调控优势,可以将其与光遗传学进行深入结合,不仅利用柔性可拉伸的负拉阻器件作为闭环检测的单元,也可以作为自适应调控的元件,在低功耗的光遗传学治疗领域具备广阔的应用前景。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统。
本发明第一个方面提供一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,包括:柔性器件和后端电路;
其中,所述柔性器件包括:
多个柔性负拉阻应变传感器、柔性可延展电极、LED阵列和封装层,
其中,所述多个柔性负拉阻应变传感器通过所述柔性可延展电极构成电连接,由多个所述柔性负拉阻应变传感器与所述柔性可延展电极构成柔性应变传感器阵列,所述柔性应变传感器阵列在受到拉伸时具有阻值随应变的增大而减小的特性,将所述柔性应变传感器阵列贴附于心脏表面,用于闭环检测心脏跳动时在舒张和收缩两种状态下的应变变化;
所述LED阵列设置于所述柔性可延展电极上,且所述LED阵列的发光面朝向心脏表面,所述LED阵列外表面设有所述封装层,且所述LED阵列光源的光照强度可通过所述柔性负拉阻应变传感器自适应心率的幅值和频率进行调控,即所述柔性负拉阻应变传感器随心脏的舒张和收缩,其电阻跟随变化从而调控所述LED阵列的电流大小,在心脏舒张状态下增大流经所述LED阵列的电流,实现二级光脉冲的叠加,且所述二级光脉冲的叠加频率与心脏舒张的频率保持一致;在心脏的收缩状态下恢复到原始设定光强,所述设定光强通过所述后端电路控制;
所述后端电路与所述柔性器件通过软排线连接,用于采集所述柔性负拉阻应变传感器阵列反馈的心脏舒张和收缩的模拟电压信号,通过所述柔性负拉阻应变传感器阵列工作在设定区间内的电阻变化以间接地反应心脏在舒张和收缩时的应变变化,并对接收的数据进行放大、滤波和电平转换,实现心率的闭环检测,根据多个周期内的平均预估心率进行实时的心动过速的判断,一旦达到判定阈值,即向所述LED阵列发送光刺激命令,通过基于光遗传学的光刺激手段来实现终止心动过速。
优选地,所述柔性负拉阻应变传感器设置于所述柔性可延展电极上的位置对应于心脏舒张时体积变化较大的部位,并通过生物胶水或生物兼容性的粘性衬底与心脏表面粘贴以确保所述柔性负拉阻应变传感器与心脏表面的稳定贴合,保证所述柔性负拉阻应变传感器工作在较大灵敏度的应变区间内;
所述柔性负拉阻应变传感器为具有延展性的导电聚合物薄膜,所述导电聚合物薄膜可拉伸到原本长度的100%-900%且不产生任何断裂。
优选地,所述柔性负拉阻应变传感器呈现负拉阻效应的必备条件包括:所述导电聚合物薄膜的材料包括导电填料和基底,所述导电填料均匀掺杂于所述基底内;所述导电填料和所述基底在拉伸时具有和拉伸同向的取向性;所述导电填料和所述基底之间存在化学键或范德华力连接,使所述导电填料能将所述基底颗粒完全包裹,形成以下三种网络:第一种,由所述导电填料直接搭接形成的第一导电通路网络;第二种,由小间距的所述导电填料之间形成隧穿电流的第二导电通路网络;第三种,由大间距的所述导电填料形成不能导电的网络;在受到拉伸的情况下,由于所述导电填料和所述基底的取向性,垂直于拉伸方向,材料受到径向收缩带来的挤压,以上三种所述网络将发生以下相应的改变:第一种,由所述导电填料紧密搭接形成致密的第一导电通路网络,以提高导电性;第二种,小间距的导电填料间距进一步缩小或形成搭接,提高了第二导电通路网络的隧穿电流或直接构成导电通路;第三种,大间距的网络在受到挤压后间距减小,为隧穿效应提供了可能性;基于以上三种情况,在所述导电填料和所述基底的取向性范围内,所述柔性负拉阻应变传感器材料的电阻随拉伸减小。
优选地,所述导电填料和所述基底的质量比范围为1:10-1:0.05;
其中,所述导电填料为具有拉伸取向性的导电一维纳米材料;
所述基底的连续相为具有拉伸取向性的高分子材料。
优选地,所述导电聚合物薄膜的材料还包括质量分数为0.1%-10%的金属纳米颗粒;
优选地,所述金属纳米颗粒包括但不限于选用银纳米颗粒或金纳米颗粒。
优选地,所述柔性可延展电极呈扇型器件,所述呈扇型器件沿半径方向可卷曲闭合成用以包裹心脏表面的锥形结构;所述扇型器件在不同角度的位置分别设有用于使所述呈扇型器件与心脏表面固定的卡扣结构,且所述卡扣结构的尺寸与心脏的尺寸相匹配,以适用于不同尺寸的心脏。
优选地,所述柔性可延展电极包括:
设置于最底层的基底层,
设置于所述基底层上的第一金属层,
设置于所述第一金属层上表面的第一绝缘层,
设置于所述第一绝缘层上的第二金属层,所述第二金属层上设有用于焊接所述LED阵列的焊盘;
设置于所述第二金属层上表面的第二绝缘层,所述第二绝缘层上设有用于露出所述第二金属层的焊盘的第一通孔;
所述基底层、所述第一金属层、所述第一绝缘层、所述第二金属层和所述第二绝缘层均设计为蜿蜒线结构。
优选地,所述基底层、所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材料均包括但不限于选用聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯;
优选地,所述第一金属层和所述第二金属层的材料均包括但不限于选用金、银、铜、铬、石墨烯或液态金属的任一种导电材料;
优选地,所述封装层的材料采用具有生物兼容性的柔性透明材料,所述柔性透明材料包括但不限于选用PDMS或Ecoflex,以使所述LED阵列于生物体内绝缘。
优选地,所述LED阵列采用多个微型表贴式LED元件以串联、并联或混联的一种或多种组合方式;
所述LED阵列包括在所述柔性可延展电极上沿环向排布的第一阵列和沿径向排布的第二阵列,用于对心肌梗死区域周围进行光刺激;
所述LED阵列的波长根据光遗传学中光敏蛋白的需求而定,所述LED阵列在单位面积内的光密度大于开启光敏蛋白的离子通道的最低阈值。
优选地,所述后端电路包括:
数据采集模块,用于采集所述柔性负拉阻应变传感器阵列反馈的心脏舒张和收缩的模拟电压信号,并对采集的电压信号进行可控倍数的幅值放大;
滤波模块,所述滤波模块用于排除环境干扰、心律不齐带来的串扰,以提高心率采集的准确性;
LED驱动模块,所述LED驱动模块根据中央处理器发出的命令开启所述LED阵列进行光刺激;
中央处理器,利用人工神经网络算法对所述数据采集模块采集的模拟信号进行处理,推算出预估的心率值,判断是否发生室性心动过速,当判断发生室性心动过速时,向所述LED驱动模块发送开启光刺激的命令,通过基于光遗传学的光刺激手段来实现终止心动过速;当判断未发生室性心动过速时,则继续进行心率检测,保持LED驱动模块的静息状态;
无线传输模块,用于将所述中央处理器判断的正常心率值传输到外部的移动终端,以供观察和记录长期的心跳变化;以及当所述中央处理器判断为发生室性心动过速时,向所述移动终端输出报警信号,以提醒患者和医生进行及时干预;
供能模块,为所述数据采集模块、所述无线传输模块、所述中央处理器、所述LED驱动模块提供能量;
所述数据采集模块、所述滤波模块、所述中央处理器、所述LED驱动模块、所述无线传输模块和所述供能模块为集成一体结构。
与现有技术相比,本发明具有如下至少一种的有益效果:
本发明上述系统,柔性负拉阻应变传感器基于负拉阻应变材料的负拉阻效应性能,与传统导电聚合物电阻随应变增加而增加的特性完全相反,可实现拉伸状态下电流增大的目的;将多个柔性负拉阻应变传感器与柔性可延展电极构成的柔性应变传感器阵列应用于光遗传学领域,借助光遗传学优于传统电刺激的安全性和选择性的特点,首创性地提出了作用于心肌细胞的可植入自适应光遗传学系统,用于闭环检测心率并对实时检测到的室性心动过速进行光刺激,从而达到抑制室性心动过速的目的。
本发明上述系统,基于柔性应变传感器阵列的自适应光遗传学刺激模块,集成了检测心律失常的人工神经网络算法,相比于传统外接心电检测设备的光刺激手段,集心率检测和由心率调控的光刺激于一体,可缩短光刺激的治疗延时,提高光遗传学系统的有效性、安全性和可靠性,为光遗传学技术在治疗室性心动过速疾病方面寻找到了有效的突破口,将有助于克服心律失常电刺激的单一性和局限性,实现对心脏的电活动进行精确、局部和非侵入性的光学控制,提高心肌梗死患者的应急救治速度,同时为植入式光遗传学系统的设计和研制提供了新的思路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明一优选实施例的柔性的基于负拉阻材料和光遗传学的自适应抑制心动过速的系统的结构示意图;
图1中标号分别表示为:柔性负拉阻应变传感器101、半径方向可延展电极线102、径向可延展电极线103、径向排布的LED阵列104、环形排布的LED阵列105、卡扣106、软排线107、后端电路108;
图2是本发明一优选实施例的柔性可延展电极的结构示意图;
图2中标号分别表示为:第二绝缘层201、第二金属层202、第一绝缘层203、第一金属层204、基底层205;
图3是本发明一优选实施例的柔性可延展电极包裹于心脏上的植入方式示意图;
图3中标号分别表示为:心脏301、环形LED阵列104、心肌梗死发生区域302、软排线106;
图4是本发明一优选实施例的柔性负拉阻应变传感器材料的电阻-应变关系示意图;
图4中标号分别表示为:负拉阻应变材料的电阻401、负拉阻应变材料倒模制成的薄膜受到的应变402;
图5为本发明一优选实施例的柔性负拉阻应变传感器材料的应力-应变关系示意图;
图5中标号分别表示为:负拉阻应变材料倒模制成的薄膜受到的应力501、负拉阻应变材料倒模制成的薄膜受到的应变502;
图6为本发明一优选实施例的柔性负拉阻应变传感器与柔性可延展电极以铆接连接示意图;
图6中标号分别表示为:铆接端子601;
图7为本发明一优选实施例的柔性器件和后端电路的信号流示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示,为本发明一优选实施例的基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,该系统具有心率闭环检测、刺激光强精准控制、热量低、病人疼痛少、自适应和柔性可延展的特点,且生物兼容性好,为使用光遗传学终止心率失常提供了一种新型、高效的解决方案。本系统包括:柔性器件和后端电路,其中,柔性器件具有心率检测的功能和自适应光刺激的功能;后端电路具有数据采集、数据分析、无线传输和供能的功能。
柔性器件包括多个柔性负拉阻应变传感器101、柔性可延展电极、LED阵列和封装层,其中,多个柔性负拉阻应变传感器101设置于柔性可延展电极的上,多个柔性负拉阻应变传感器101通过柔性可延展电极构成电连接,由多个柔性负拉阻应变传感器101与柔性可延展电极构成柔性应变传感器阵列,柔性应变传感器阵列在受到拉伸时具有阻值随应变的增大而减小的特性,将柔性应变传感器阵列贴附于心脏表面,用于闭环检测心脏跳动时在舒张和收缩两种状态下的应变变化,可通过人工神经网络算法对这种应变变化进行分析,预估得到检测的心率,从而实现心率检测的目的。作为一优选方式,柔性负拉阻应变传感器101是一种柔性可拉伸导电聚合物薄膜,柔性可拉伸导电聚合物薄膜由负拉阻应变材料倒模制成的薄膜,且具备随形变而发生电阻变化的特性。柔性负拉阻应变传感器101在受到压力时具有阻值随压力的增大而减小的特性,即压阻特性。柔性负拉阻应变传感器101在受到拉伸时具有负拉阻效应,即当拉伸范围小于5%时,电阻值轻微增大;当拉伸范围逐渐增加时,电阻值随拉伸的增大迅速减小,减小量最大可达到初始电阻的95%及其以上;当应变范围超过80%,电阻值再次缓慢上升,但仍低于没有拉伸状态下的初始电阻值。撤销拉伸作用后,柔性负拉阻应变传感器101回弹至原始长度,其电阻值也恢复至初始值。
LED阵列设置于柔性可延展电极上,且LED阵列的发光面朝向心脏表面,通过光照射提前转染的具有光敏特性的心肌细胞,在特定的光照强度、光照区域和光刺激频率下控制心肌细胞的电信号传输,最终达到终止室性心动过速的目的;LED阵列外表面设有封装层,由LED阵列、封装层及柔性负拉阻应变传感器101构成实现光遗传学的光刺激模块,且上述柔性应变传感器阵列与光刺激模块具有自适应的关系,LED阵列光源的光照强度可通过柔性负拉阻应变传感器101自适应心率的幅值和频率进行调控,即LED阵列的刺激光强可自动适应心跳而变化:柔性负拉阻应变传感器101随心脏的舒张和收缩,其电阻跟随发生变化从而调控LED阵列的电流大小,以在心脏舒张状态下增大流经LED阵列的电流,实现二级光脉冲的叠加,且二级光脉冲的叠加频率与心脏舒张的频率保持一致;具体为,在心脏舒张状态下引起的应变增大使得柔性应变传感器阵列的电阻显著减小,回路总电流增大,因此光刺激模块中的分电流增大,进而使得LED阵列这种电流控制型元件的光强增大,实现了光刺激的光强可以跟随心跳的舒张实现二级光脉冲的叠加,达到更高的光强;而在心脏的收缩状态下恢复到确定光强(设定光强),确定光强由后端电路控制,大小可调。这种刺激光强的自动适应心跳而变化的控制方法即为自适应光遗传学方法,上述自适应的方法将进一步抑制具有光敏特性的心肌细胞的细胞活动,将更多的阳离子移动到细胞膜外,产生超极化电位,导致动作电位不易发放,从而加快细胞活动的抑制速度。
LED阵列整体由于需要直接与心脏组织接触,并且需要长时间植入生物体内,所以器件的有效封装是保证器件正常工作和安全工作的重要因素之一,选择的封装层的材料主要采用生物兼容性非常好的一些电子封装材料,例如可选用但不局限于选用PDMS,Ecoflex,Dragonskin和Parylene等任一种。封装材料的选用一方面保证对LED器件的有效绝缘,防止组织液渗透,确保对机体无损伤,另一方面要保证封装材料是透明无杂质的,可以使LED的光正常穿透封装材料,封装后的光密度仍然能达到开启光敏通道的最低阈值,保证光源的辐射角没有太多损耗,保证光照面积的有效性。
后端电路与柔性器件通过软排线107连接,用于采集柔性负拉阻应变传感器101反馈的心脏舒张、收缩的模拟电压信号数据,通过柔性负拉阻应变传感器101工作在设定区间内的电阻变化以间接地反应心脏在舒张和收缩时的应变变化,并对接收的数据进行放大、滤波和电平转换,实现心率的闭环检测,根据多个周期内的平均预估心率进行实时的心动过速的判断,一旦达到判定阈值,即向LED阵列发送光刺激命令,通过基于光遗传学的光刺激手段来实现终止心动过速。
在具体实施时,参照图3所示,将柔性器件稳定地包裹于心脏301上,借助柔性应变传感器阵列,通过心脏301舒张和收缩带来的应变变化,可以不间断地检测心率值。检测到的心率值将通过人工神经网络算法进行室性心动过速的判断,如果达到了判断标准,则将在第一时间开启基于光遗传学的光刺激,抑制心肌梗死区域302周围的心肌细胞的活动,从而使心率恢复到正常水平。
在其部分优选实施例中,柔性负拉阻应变传感器101设置于柔性可延展电极上的位置对应于心脏舒张时体积变化较大的部位,并通过生物胶水或生物兼容性的粘性衬底以确保柔性负拉阻应变传感器101与心脏表面的稳定贴合,保证柔性负拉阻应变传感器101工作在较大灵敏度的应变区间内,从而可以获得稳定的模拟信号。例如将柔性负拉阻应变传感器101铆接于呈扇型的柔性可延展电极的第二大半径对应的弧形线上,第二大半径对应的弧形线所处的位置对应于心脏舒张时体积变化较大的部位。柔性负拉阻应变传感器101为具有延展性的导电聚合物薄膜,导电聚合物薄膜可拉伸到原本长度的100%-900%且不产生任何断裂;例如可拉伸到原本长度的640%且不产生任何断裂。因此可以通过负拉阻应变材料工作在特定区间内的电阻变化来间接地反应心脏舒张和收缩时的应变变化,从而推算出心脏跳动的频率。
由柔性负拉阻应变传感器101通过如图6所示的连接方式与柔性可延展电极进行铆接。柔性负拉阻应变传感器101可以是由负拉阻应变材料倒模制成的薄膜制备为矩形,两端通过端子铆接的方式连接于柔性可延展电极表面。由于铆接方式具有一定的破坏性,因此保留材料铆接处电极表面的上绝缘层,以增加电极处的支撑性。在一具体实例中,由于柔性负拉阻应变传感器101的两端引线均设计加工在柔性可延展电极的第二金属层202上,故此处的柔性可延展电极结构只包含4层:第二绝缘层201、第二金属层202、第一绝缘层203、基底层205。铆接端子601是具有4个固定管脚的商用金属连接件。首先将柔性负拉阻应变传感器101放置在第二绝缘层201的上方,然后在柔性可延展电极结构和柔性负拉阻应变传感器101上对应的位置进行打孔,可以将铆接端子601的4个管脚插入孔中,并在背面进行弯曲固定。通过这种机械的方式,可以使柔性负拉阻应变传感器101与可延展电极之间形成稳定的电连接,不易在心脏膨胀收缩的过程中发生滑脱,从而保证了信号的可靠性。
在其他部分优选实施例中,柔性负拉阻应变传感器的材料是一种掺杂型的导电聚合物,柔性负拉阻应变传感器材料呈现负拉阻效应的必备条件包括:第一个条件,导电聚合物薄膜的材料包括导电填料和基底,导电填料均匀掺杂于基底内;第二个条件,导电填料和基底在拉伸时具有和拉伸同向的的取向性;第三个条件,导电填料和基底之间的高连接强度(化学键或范德华力),因此导电填料可以将所述基底颗粒完全包裹;基于以上三个条件,由导电填料将基底颗粒完全包裹,形成以下三种网络:第一种,由导电填料直接搭接形成的第一导电通路网络;第二种,由小间距的导电填料之间搭接形成发生隧穿电流的第二导电通路网络;第三种,由大间距的所述导电填料搭接形成不能够导电的网络;在受到拉伸的情况下,由于导电填料和基底的取向性,垂直于拉伸方向,材料受到径向收缩带来的挤压,以上三种网络将发生以下相应的改变:第一种,由导电填料紧密搭接形成致密的第一导电通路网络,以提高导电性;第二种,小间距的导电填料的间距减小或形成搭接,增大第二导电通路网络的隧穿电流,或直接构成导电网络;第三种,大间距的网络在受到挤压后间距减小,为隧穿效应提供了可能性;基于以上三种情况,在导电填料和基底的取向性范围内,柔性负拉阻应变传感器材料的电阻随拉伸减小。
在其他部分优选实施例中,导电填料和基底的质量比范围为1:10-1:0.05;其中,导电填料为具有拉伸取向性的导电一维纳米材料,例如:导电一维纳米材料可以选用但不局限于多壁碳纳米管。基底的连续相为具有拉伸取向性的高分子材料,例如具有拉伸取向性的高分子材料可以选用但不局限于天然乳胶。在具体实施时,将具有拉伸取向性的导电填料和基底按质量比为1:10-1:0.05的比例进行充分混合,并在指定温度下固化,均可得到呈现负拉阻效应的导电聚合物薄膜。
作为一优选方式,导电聚合物薄膜的材料的组分进一步还包括质量分数为0.1%-10%的金属纳米颗粒;金属纳米颗粒可以但不限于选用银纳米颗粒或金纳米颗粒,以增加混合材料的导电性。在具体实施时,在制备过程中可向基底连续相和导电一维纳米材料的混合溶液中再添加低于质量分数0.1%-10%的金属纳米颗粒,例如银纳米颗粒等金属纳米颗粒,以增加混合材料的导电性。
上述柔性负拉阻应变传感器可以采用以下制备方法得到:
首先超声分散导电一维纳米材料的水溶液或极性溶液,使其分散均匀;
接着向导电一维纳米材料的水溶液或极性溶液中缓缓加入基底材料的水溶液或极性溶液,并在冰浴中磁力搅拌导电一维纳米材料和基底材料的混合溶液3至15小时,保证磁力搅拌时的环境温度不高于18摄氏度,防止混合溶液在搅拌过程中固化成膜;
最后将混合溶液抽真空后缓慢低位倾倒在模具中,在60-100摄氏度烘箱中固化12-48小时成膜,从模具上释放下来即可得到具备负拉阻效应的应变薄膜,即得到上述柔性负拉阻应变传感器。
上述柔性负拉阻应变传感器的制备方法中,要防止冰浴磁力搅拌过程中容器内壁冷凝产生的水珠混合进入材料中,改变了材料预先的配比。
参照图4所示,为柔性负拉阻应变传感器材料的电阻-应变关系示意图,将负拉阻应变材料倒模制成的薄膜在受到的负拉阻应变材料的应变402逐渐增大的过程中,其负拉阻应变材料的电阻401呈现先轻微上升,然后急速下降,最后趋于稳定且缓慢上升的关系。在急速下降的阶段,可以认为该种负拉阻应变材料具有明显的负拉阻特性,可以用于制成柔性应变传感器和自适应光刺激阵列中的一部分可调元件。
参照图5所示,为柔性负拉阻应变传感器材料的应力-应变关系示意图,负拉阻应变材料倒模制成的薄膜受到的应力501随负拉阻应变材料倒模制成的薄膜受到的应变502的增大呈现先上升后趋于平缓的关系。
在其他部分优选实施例中,柔性可延展电极的整体设计呈扇型器件,呈扇型器件沿半径方向可卷曲闭合成用以包裹心脏表面的锥形结构;扇型器件在不同角度的位置分别设有用于使呈扇型器件与心脏表面固定的多个卡扣结构,且卡扣结构的尺寸与心脏的尺寸相匹配,以适用于不同尺寸的心脏。作为一优选方式,呈扇型器件包括沿四个不同半径设计有四个弧形的结构线,四条不同半径的可延展结构线之间也通过可延展结构进行连接,形成网状结构,可延展结构为半径和角度不同的蛇形线设计。
在一具体实施例中,参照图1所示,柔性器件主要包含柔性负拉阻应变传感器101、柔性可延展电极、径向排布的LED阵列104、环形排布的LED阵列105、卡扣106和软排线107、柔性可延展电极包括四条沿半径方向可延展电极线102和径向可延展电极线103,其中四条半径方向可延展电极线102和径向可延展电极线103构成了一个扇形的网状结构,其中半径最小的可延展线靠近心尖位置。四条半径方向可延展电极线102具有不同的延展性,半径最小的可延展电极线的延展性最大,使用的是二阶蛇形线设计,可确保整个网状结构在心脏上的稳定贴附。在半径方向可延展电极线102和径向可延展电极线103上排布有径向排布的LED阵列104、环形排布的LED阵列105,总共的LED灯数量为22个。整个网状结构通过卡扣106进行固定,卡扣106的位置可依据不同心脏的大小的来调整。整个网状结构与软排线107通过ACF压印的方式连接,然后与后端电路108相连,进行数据的采集和传输。
在其他部分优选实施例中,参照图2所示,柔性可延展电极共由五层构成,包括基底层205、第一金属层204、第一绝缘层203、第二金属层202和第二绝缘层201,基底层205位于最底层,第一金属层204设置于基底层205上,第一绝缘层203设置于第一金属层204上表面,第二绝缘层201是第二金属层202的绝缘保护层;第二金属层202设置于第一绝缘层203上,第二金属层202上设有用于焊接LED阵列的焊盘;第二绝缘层201设置于第二金属层202上表面,第二绝缘层201上设有用于露出第二金属层202的焊盘的第一通孔;上述第一绝缘层203、第二绝缘层201为上述两层金属层提供支撑,防止两层金属之间发生短路。上述基底层205和第二绝缘层201用于可延展电极的正、反两个表面封装,保证电极贴附于心脏表面时的安全性。基底层205、第一金属层204、第一绝缘层203、第二金属层202和第二绝缘层201均设计为蜿蜒线结构,以增加其可延展性,依靠蜿蜒线半径和角度组合的设计可将柔性可延展电极完整地贴附于心脏表面。
上述第二金属层202和第一金属层204为LED元件的阳极和阴极引线,其厚度优选为35微米以上,以保证通过的电流安全性,减少发热。
在具体实施时,第二金属层202和第一金属层204可以通过微纳加工工艺中的光刻技术进行图形化得到的,金属线路的材料为铜或金,厚度35微米。在金属线路上的焊盘处沉积金,厚度为10微米,便于LED阵列的焊接,LED阵列的焊接方式可以采用为回流焊。在焊盘处对应的第一绝缘层203和第二绝缘层201上开窗留孔。基底层205是第一金属层204的绝缘衬底。第二绝缘层201、第一绝缘层203和基底层205可通过激光切割的方式得到整个器件的外形结构。第二绝缘层201、第一绝缘层203和基底层205的厚度均为27.5微米。
在其他部分优选实施例中,基底层、第一绝缘层和第二绝缘层的材料均可以选用但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯或其他高分子聚合物薄膜材料的任一种,具有柔性特性,便于制备成为可延展结构。
第一金属层和第二金属层的材料均可以选用但不限于金、银、铜、铬、石墨烯或液态金属的任一种导电材料;具有良好的导电性,且可以通过微纳加工技术进行图形化处理。
在其他部分优选实施例中,LED阵列采用多个微型表贴式LED元件以串联、并联或混联的一种或多种组合方式,保证每种组合的设计中,流经单个LED元件的电流达到该种型号LED的开启电流阈值,同时保证总电流在所述可延展电极的承受范围之内;LED阵列中每个LED元件焊接于柔性可延展电极的焊盘上,焊接方式为回流焊,温度为280摄氏度,以保证器件在延展过程中仍然保持较高的稳定性。LED阵列包括在柔性可延展电极上沿环向排布的第一阵列和沿径向排布的第二阵列,用于对心肌梗死区域周围进行光刺激;在具体实施时,LED阵列中各个LED的排布方式要依据心脏病理模型的构建来设计,例如在心脏病理模型中结扎的是左冠状动脉前降支血管,则LED阵列排布在径向的可延展电极上,同时在该条可延展电极的右侧排布包围式LED阵列,用于对心肌梗死区域周围进行光刺激。
LED阵列的波长根据光遗传学中光敏蛋白的需求而定,LED阵列在单位面积内的光密度大于开启光敏通道的最低阈值。
在一具体实例中,参照图3所示,为柔性可延展电极包裹于心脏上的植入方式示意图,柔性网状结构包裹于心脏301上,且使得环形LED阵列104(即为上述沿环向排布的第一阵列)正好处在心肌梗死发生区域302的外围,整个器件通过软排线106与后端电路相连。作为一优选实施方式,环形LED阵列104的光源选择的是中心波长为565纳米的黄绿光,其光密度必须大于3.5mW/mm2,以保证能够开启抑制型光敏蛋白。且为了保证安全性,在LED的表面和侧面刷涂透明的Ecoflex材料,并在80摄氏度的烘箱中固化两小时。这种材料具有良好的透光性,不会损耗过多的光强,且具有生物兼容性,可以安全地在体内长期使用。
在其他部分优选实施例中,后端电路包括:数据采集模块、滤波模块、中央处理器,LED驱动模块、无线传输模块和供能模块。
数据采集模块用于采集柔性负拉阻应变传感器阵列反馈的心脏舒张、收缩的模拟电压信号,并对采集的电压信号进行可控倍数的幅值放大;作为一优选方式,数据采集模块由分压电路、运算放大器、电压比较器芯片和模数转换芯片(ADC)组成。将位于前端的柔性应变传感阵列的多个通道通过FPC软排线与分压电路相连,分压电路中的多个上拉电阻分别与柔性应变传感阵列中的多个应变传感器构成分压电路。应变传感器采集到的心脏舒张和收缩的模拟电压信号,经过运算放大器后实现可控倍数的幅值放大,放大倍数一般在1-5倍之间,且电压幅值不超过模数转换芯片的最大值。
电压比较器芯片用于提供一个可编程的电压参考值,与放大并滤波后的模拟电压信号进行大小比较。若放大并滤波后的模拟电压信号小于电压参考值,则判定发生了一次有效的应变增大,即一次心脏的舒张活动,此时电压比较器芯片将心跳标志位heart_flag置为1;若放大并滤波后的模拟电压信号大于等于电压参考值,则认为没有发生有效的心脏的舒张活动,此时电压比较器芯片将心跳标志位heart_flag置为0。
模数转换芯片(ADC)将放大并滤波后的模拟电压信号发送给中央处理器进行数据的保存,同时中央处理器将读取心跳标志位heart_flag的内容,并存储在内存中以供调用。
滤波模块对上述经过滤波模块运算放大器放大后的模拟信号进行滤波,用于排除环境干扰、心律不齐带来的串扰,以提高心率采集的准确性。
中央处理器利用人工神经网络算法对数据采集模块采集的模拟信号进行处理后的模拟电压信号和心跳标志位heart_flag进行分析,推算出预估的心率值,间隔固定的时间周期进行一次室性心动过速的判断。判断是否发生室性心动过速,当判断发生室性心动过速时,向LED驱动模块发送开启光刺激的命令;当判断未发生室性心动过速时,即判断为正常心率值;具体为,若采用犬只作为被试对象,则室性心动过速的判断标准设置在110-130次/分钟的范围内,每当连续3次预估的心率值超过该判定标准,中央处理器将在第一时间发送开启光刺激的命令,通过LED驱动模块开启前端自适应的LED阵列,进行自适应的光刺激。若预估的心率值超过一定次数并未达到判定标准,或预估的心率值远低/高于正常范围,则系统将在保持心率检测的状态同时,自动并行进入纠错模式,重新设定参考电压值,然后继续心率的闭环监测。参照图7所示,为柔性器件和后端电路的信号流示意图,以犬只作为被试对象,闭环心率检测模块通过检测心脏在舒张和收缩状态下的应变变化,长期保持对室性心动过速的阈值判断。当需要开启光刺激对心肌细胞进行光学复律时,光刺激阵列的光强由两部分进行控制,一方面是由后端电路提供的固定光强,另一方面是由心脏舒张的节律控制的自适应光强,这种两级的光强控制有利于提高光遗传学终止室性心动过速的效率,更快地使心率恢复到正常水平。
LED驱动模块根据中央处理器发出的命令开启LED阵列进行光刺激。
无线传输模块将中央处理器判断的正常心率值传输到外部的移动终端,以供观察和记录长期的心跳变化;以及当中央处理器判断为发生室性心动过速时,向移动终端输出报警信号,以提醒患者立即注意保持安静的休息状态,也方便医生及时掌握患者的身体状态,实现智能化的远程医疗、24小时值守的零延时医疗。
供能模块为数据采集模块、无线传输模块、中央处理器、LED驱动模块提供能量;供能模块包括但不局限于电池供能、自供能能量采集器和无线充电等功能方式。通常情况下,没有检测到室性心动过速发生时,会采用供能模块中能量采集器输出的电能维持正常的检测,而在需要开启光刺激时切换到电池供能,以保证较为充足稳定的光照强度。
中央处理器、无线传输模块、LED驱动模块和供能模块为集成一体结构,形成可植入的微型化系统。
上述实施例提供的系统其目的是通过光遗传学的手段终止室性心动过速,首先通过贴附于心脏表面的柔性负拉阻应变传感器阵列的电阻变化频率检测心脏的舒张和收缩的频率,判断是否发生心动过速,若判断为心动过速则打开自适应光刺激单元,通过LED阵列的光抑制已转染的心肌细胞之间的电信号传输,同时利用LED电路中的负拉阻应变材料来自适应地改变光强,最终达到高效且低能耗地终止心动过速的目的。上述系统设计的系统安全可靠、光照面积大,且具有全柔性、自适应的优点,可用于心率失常领域的研究。
在另一实施例中,提供一种上述基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统的制备方法,包括,按照以下步骤执行:参照图2所示,
S1:选取厚度27.5微米的聚酰亚胺,作为第一绝缘层203,并在两侧沉积厚度为35微米的铜;
S2:光刻、曝光和显影第一绝缘层203下侧的铜,得到图形化的第一金属层204;
S3:光刻、曝光和显影第一绝缘层203上侧的铜,得到图形化的第二金属层202,若同一条电极分布在不同的金属层上,则通过过孔相连,使得LED的焊盘均分布于第二金属层202上;
S4:在第二金属层202的上方贴附厚度27.5微米的聚酰亚胺干膜,得到第二绝缘层201,并开窗暴露第二金属层202上的所有焊盘位置;
S5:在第一金属层204的下方贴附厚度27.5微米的聚酰亚胺干膜,得到基底层205;
S6:在第二金属层202上的所有焊盘上沉积厚度为10微米的金;
S7:通过激光切割蜿蜒线的外轮廓,得到网状的柔性可拉伸电极层;
S8:配置负拉阻导电聚合物薄膜:超声分散质量分数10%的水性多壁碳纳米管溶液15分钟,将干胶质量分数60%的水性天然乳胶溶液缓慢加入水性多壁碳纳米管溶液中,且多壁碳纳米管溶液与天然乳胶溶液的质量比1:1.5,将上述混合溶液在环境温度不高于18摄氏度下冰浴磁力搅拌8小时,然后倒入尺寸为20mm*10mm*0.4mm的模具中在80摄氏度下固化15小时,释放下来后即可得到具备负拉阻效应的可拉伸薄膜;
S9:将中心波长565nm的微型表贴式LED通过回流焊的方式焊接于第二金属层202的焊盘上;
S10:将多个负拉阻可拉伸薄膜分别通过铆接端子601固定于传感器的柔性可延展电极上,构成柔性应变传感器阵列;
S11:使用生物兼容性的Ecoflex封装每个LED和负拉阻可拉伸薄膜及其铆接端子,在80摄氏度烘箱中固化2小时后,得到完整的柔性器件;
S12:将完整的柔性器件浸入组织液中检查是否存在漏电问题;
S13:数据采集模块、滤波模块、中央处理器、LED驱动模块、无线传输模块、LED驱动模块和供能模块集成在一块PCB板上,构成后端电路;
S14:通过ACF热压工艺,使用FPC软排线将柔性器件和后端电路进行完整连接,得到最终的基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质。
Claims (10)
1.一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,包括:柔性器件和后端电路;
其中,所述柔性器件包括:
多个柔性负拉阻应变传感器、柔性可延展电极、LED阵列和封装层,
其中,所述多个柔性负拉阻应变传感器通过所述柔性可延展电极构成电连接,由多个所述柔性负拉阻应变传感器与所述柔性可延展电极构成柔性应变传感器阵列,所述柔性应变传感器阵列在受到拉伸时具有阻值随应变的增大而减小的特性,将所述柔性应变传感器阵列贴附于心脏表面,用于闭环检测心脏跳动时在舒张和收缩两种状态下的应变变化;
所述LED阵列设置于所述柔性可延展电极上,且所述LED阵列的发光面朝向心脏表面,所述LED阵列外表面设有所述封装层,且所述LED阵列光源的光照强度可通过所述柔性负拉阻应变传感器自适应心率的幅值和频率进行调控,即所述柔性负拉阻应变传感器随心脏的舒张和收缩,其电阻跟随变化从而调控所述LED阵列的电流大小,在心脏舒张状态下增大流经所述LED阵列的电流,实现二级光脉冲的叠加,且所述二级光脉冲的叠加频率与心脏舒张的频率保持一致;在心脏的收缩状态下恢复到原始设定光强,通过所述后端电路控制设定光强;
所述后端电路与所述柔性器件通过软排线连接,用于采集所述柔性负拉阻应变传感器阵列反馈的心脏舒张和收缩的模拟电压信号,通过所述柔性负拉阻应变传感器阵列工作在设定区间内的电阻变化以间接地反应心脏在舒张和收缩时的应变变化,并对接收的数据进行放大、滤波和电平转换,实现心率的闭环检测,根据多个周期内的平均预估心率进行实时的心动过速的判断,一旦达到判定阈值,即向所述LED阵列发送光刺激命令,通过基于光遗传学的光刺激手段来实现终止心动过速。
2.根据权利要求1所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述柔性负拉阻应变传感器设置于所述柔性可延展电极上的位置对应于心脏舒张时体积变化较大的部位,并通过生物胶水或生物兼容性的粘性衬底与心脏表面粘贴以确保所述柔性负拉阻应变传感器与心脏表面的稳定贴合,保证所述柔性负拉阻应变传感器工作在较大灵敏度的应变区间内;
所述柔性负拉阻应变传感器为具有延展性的导电聚合物薄膜,所述导电聚合物薄膜可拉伸到原本长度的100%-900%且不产生任何断裂。
3.根据权利要求2所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述柔性负拉阻应变传感器呈现负拉阻效应的必备条件包括:所述导电聚合物薄膜的材料包括导电填料和基底,所述导电填料均匀掺杂于所述基底内;所述导电填料和所述基底在拉伸时具有和拉伸同向的取向性;所述导电填料和所述基底之间存在化学键或范德华力连接,使所述导电填料能将所述基底颗粒完全包裹,形成以下三种网络:第一种,由所述导电填料直接搭接形成的第一导电通路网络;第二种,由小间距的所述导电填料之间形成隧穿电流的第二导电通路网络;第三种,由大间距的所述导电填料形成不能导电的网络;在受到拉伸的情况下,由于所述导电填料和所述基底的取向性,垂直于拉伸方向,材料受到径向收缩带来的挤压,以上三种所述网络将发生以下相应的改变:第一种,由所述导电填料紧密搭接形成致密的第一导电通路网络,以提高导电性;第二种,小间距的导电填料间距进一步缩小或形成搭接,提高了第二导电通路网络的隧穿电流或直接构成导电通路;第三种,大间距的网络在受到挤压后间距减小,为隧穿效应提供了可能性;基于以上三种情况,在所述导电填料和所述基底的取向性范围内,所述柔性负拉阻应变传感器材料的电阻随拉伸减小。
4.根据权利要求3所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述导电填料和所述基底的质量比范围为1:10-1:0.05;
其中,所述导电填料为具有拉伸取向性的导电一维纳米材料;
所述基底的连续相为具有拉伸取向性的高分子材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,
-所述导电聚合物薄膜的材料还包括质量分数为0.1%-10%的金属纳米颗粒;
-所述金属纳米颗粒包括银纳米颗粒或金纳米颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述柔性可延展电极呈扇型器件,所述呈扇型器件沿半径方向可卷曲闭合成用以包裹心脏表面的锥形结构;所述扇型器件在不同角度的位置分别设有用于使所述呈扇型器件与心脏表面固定的卡扣结构,且所述卡扣结构的尺寸与心脏的尺寸相匹配,以适用于不同尺寸的心脏。
7.根据权利要求6所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述柔性可延展电极包括:
设置于最底层的基底层,
设置于所述基底层上的第一金属层,
设置于所述第一金属层上表面的第一绝缘层,
设置于所述第一绝缘层上的第二金属层,所述第二金属层上设有用于焊接所述LED阵列的焊盘;
设置于所述第二金属层上表面的第二绝缘层,所述第二绝缘层上设有用于露出所述第二金属层的焊盘的第一通孔;
所述基底层、所述第一金属层、所述第一绝缘层、所述第二金属层和所述第二绝缘层均设计为蜿蜒线结构。
8.根据权利要求7所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,具有以下一种或多种特征:
-所述基底层、所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材料均为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯;
-所述第一金属层和所述第二金属层的材料均为金、银、铜、铬、石墨烯或液态金属的任一种导电材料;
-所述封装层的材料采用具有生物兼容性的柔性透明材料,所述柔性透明材料采用PDMS或Ecoflex,以使所述LED阵列于生物体内绝缘。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述LED阵列采用多个微型表贴式LED元件以串联、并联或混联的一种或多种组合方式;
所述LED阵列包括在所述柔性可延展电极上沿环向排布的第一阵列和沿径向排布的第二阵列,用于对心肌梗死区域周围进行光刺激;
所述LED阵列的波长根据光遗传学中光敏蛋白的需求而定,所述LED阵列在单位面积内的光密度大于开启光敏蛋白的离子通道的最低阈值。
10.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于负拉阻材料的光遗传学自适应抑制心动过速系统,其特征在于,所述后端电路包括:
数据采集模块,用于采集所述柔性负拉阻应变传感器阵列反馈的心脏舒张和收缩的模拟电压信号,并对采集的电压信号进行可控倍数的幅值放大;
滤波模块,所述滤波模块用于排除环境干扰、心律不齐带来的串扰,以提高心率采集的准确性;
LED驱动模块,所述LED驱动模块根据中央处理器发出的命令开启所述LED阵列进行光刺激;
中央处理器,利用人工神经网络算法对所述数据采集模块采集的模拟信号进行处理,推算出预估的心率值,判断是否发生室性心动过速,当判断发生室性心动过速时,向所述LED驱动模块发送开启光刺激的命令,通过基于光遗传学的光刺激手段来实现终止心动过速;当判断未发生室性心动过速时,则继续进行心率检测,保持LED驱动模块的静息状态;
无线传输模块,用于将所述中央处理器判断的正常心率值传输到外部的移动终端,以供观察和记录长期的心跳变化;以及当所述中央处理器判断为发生室性心动过速时,向所述移动终端输出报警信号,以提醒患者和医生进行及时干预;
供能模块,为所述数据采集模块、所述无线传输模块、所述中央处理器、所述LED驱动模块提供能量;
所述数据采集模块、所述滤波模块、所述中央处理器、所述LED驱动模块、所述无线传输模块和所述供能模块为集成一体结构。
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