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心力衰竭（HF）患者术后再入院率高，传统随访难以监测院外心脏功能恶化。研究人员开展 VITALS 可植入应变传感网络研究，该网络能连续监测心脏功能。其在动物实验中表现良好，有望改善 HF 患者管理，降低再入院率。
心力衰竭（Heart Failure，HF）就像一场全球性的健康危机，无情地笼罩着无数患者。据统计，仅在美国，就有超过 600 万成年人深受其害，每年耗费的医疗成本高达 300 亿美元以上。尽管心血管干预手段不断进步，可术后急性护理的短板依旧明显，高得离谱的计划外再入院率，最高能达到 20% ，像一道无法跨越的鸿沟，横亘在患者康复的道路上。
传统的随访方式就像 “碰运气”，在医院之外，患者心脏功能逐渐恶化的情况常常被忽视。等到症状明显时，心肌可能已经发生了不可逆的变化，心脏功能也严重受损。而早期发现左心室（Left Ventricle，LV）和右心室（Right Ventricle，RV）功能恶化，对高危 HF 患者的急性后护理至关重要。虽然心肌应变测量被证实是心脏功能障碍的可靠早期指标，但传统的评估方法，比如斑点追踪超声心动图，却无法实现连续监测，在远程使用上也困难重重。
为了打破这一困境，来自斯坦福大学（Stanford University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于研发一种能够实现连续、多轴和多结构应变监测的可植入传感器，也就是 VITALS（Versatile Implant for Telemetry And Longitudinal Sensing），希望借此改善 HF 患者的管理现状，降低再入院率，提高患者的生活质量。这项研究成果发表在《npj Biomedical Innovations》上，为心力衰竭的治疗带来了新的曙光。
研究人员采用了多种关键技术方法。在传感器制作方面，选用博世（Bosch）的 BMP384 MEMS 气压传感器，通过特定的 PCB 布局设计，将其与柔性基板相结合，并添加聚酰亚胺加强层辅助折叠，再用 Ecoflex? 00 - 10 硅胶和 Ecoflex? Gel 000 - 35 凝胶进行封装。在实验研究中，利用 3D 打印的心室模型进行体外实验，模拟心脏的各种状态；同时，在猪身上开展体内实验，通过多种手术操作，如结扎冠状动脉诱导缺血等，观察传感器性能，并与超声心动图等金标准指标对比 。
传感技术
以往开发的生物相容性应变传感器，要么耐久性差，要么在长期使用中信号漂移严重，无法满足临床需求。研究人员此前开发的单轴应变传感机制，将机械传输和电传导分离，大大提高了传感器的耐久性。在实验台上进行测试时，该传感器能承受超过 100 万次循环，且无明显漂移或退化。同时，采用低刚度硅胶凝胶封装策略，有效减少了剪切力对传感器读数的影响。在体外实验中，这种多材料封装的传感器在模拟组织粘附等复杂情况下，仍能保持较高的测量精度。
传感网络和体内实验
受心肌螺旋结构的启发，研究人员设计出多轴传感架构。将四个 MEMS 气压传感器安装在柔性印刷电路板上，通过折纸式折叠形成三维结构，制作出左心室和右心室的传感集线器，还单独制作了测量主动脉周向应变的传感器。在体内实验中，将传感器网络植入猪的心脏，结果显示，该网络测量的左心室全局纵向应变（Global Longitudinal Strain，GLS）与超声心动图测量值高度吻合，且在测量左心室容积时，与超声测量值的相关性达到R2=0.91 。此外，主动脉传感器测量的压力与导管测量值也呈现出良好的线性相关（R2=0.78 ）。
检测双心室前负荷变化
研究人员通过下腔静脉（Inferior Vena Cava，IVC）闭塞模拟前负荷变化，VITALS 传感器能迅速捕捉到这种变化。在实验中，左心室和右心室的传感器读数显示，前负荷降低时，心室充盈明显减少，左心室充盈维度下降 9.8%，右心室下降 58% ，充分展示了 VITALS 对血流动力学变化的高灵敏度。
监测双心室功能恶化
通过人为阻塞冠状动脉诱导急性缺血，研究人员发现 VITALS 能实时监测到心肌梗死后左心室和右心室应变模式的显著变化。左心室出现基线舒张末期长度上移、室腔扩张等现象，右心室虽未直接梗死，但也因心室间的相互依赖关系而出现功能障碍。而且，在诱导心室颤动时，VITALS 信号的频率特征发生明显改变，表明它能有效识别这种严重的心脏节律异常。
区分心肌收缩状态
研究人员通过注射肾上腺素增加心肌收缩力，结合压力和应变分析，评估心室弹性。实验结果显示，随着肾上腺素发挥作用，VITALS 测量的应变幅度和主动脉压力均增加。通过绘制的压力 - 应变曲线表明，VITALS 能够区分不同的心肌收缩状态，为评估心脏功能和药物疗效提供了新的视角。
在这项研究中，VITALS 展现出巨大的潜力。它能够实现对心脏功能的连续、实时监测，获取丰富且有价值的信息，包括心脏在不同血流动力学状态下的功能变化、前负荷变化以及心肌收缩状态等。这些数据对于指导临床决策、及时调整治疗方案意义重大。不过，目前的研究也存在一些局限性，比如实验动物数量较少、仅在开胸模型中进行等。未来，还需要进一步扩大样本量，在更接近临床实际的环境中进行研究，优化传感器设计，提升其长期稳定性和可靠性，以推动这项技术从实验室走向临床应用，真正造福广大心力衰竭患者。
