近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系刘景全教授和上海交通大学附属胸科医院心内科合作，在植入式MEMS器件的心脏脉冲场消融领域取得重要进展，相关成果以“A high-precision, low-voltage pulsed field ablation device with capability of minimally invasive surgery”（一种具备微创手术能力的高精度、低电压脉冲场消融器件）为题在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》(IF=19.924)上发表。
研究背景
心房颤动是最常见的心律失常，60岁以上的人有1%出现房颤，会导致心跳加快或混乱、疲劳、呼吸短促和胸痛等多种症状，并增加卒中风险。导管消融术是治疗有症状、药物难治性房颤患者的有效方法。传统的热消融术可能会伴随食管损伤、膈神经损伤和肺静脉狭窄等不良事件。与之相比，脉冲场消融使用电脉冲引起非热能的不可逆电穿孔并诱导靶细胞死亡，不会改变组织的整体结构或影响其他细胞类型。近十年来，脉冲场消融可通过杀死肿瘤细胞来治疗癌症，但这项技术最近才应用于心血管领域。
然而，目前脉冲场消融研究中电极的特点是尺寸大，消融精度不足，在心肌传导阻滞期间往往导致“过度杀伤”。鉴于心脏解剖结构的自然变化，目前的电极无法在不损伤非目标区域的情况下形成完美的病变，特别对于小梁组织等心腔复杂结构。同时，大电极必须施加振幅高达数千伏的电脉冲，这可能会引发未知的并发症。
亮点成果
该研究基于MEMS技术设计加工一种导管集成的微电极和传感器，利用大动物模型的微创手术实现高精度和低电压脉冲场消融。不同于传统的电极配置，该研究采用了同心圆-环电极结构，在电压300 V（与目前技术相比减少一个数量级）下通过逐点消融方式产生的单个病变宽度为3.8 mm（约为典型消融电极的1/10）。这种导管集成设备有助于提高脉冲场消融的效率和安全性，特别是对于复杂的心脏结构，从而促进其临床转化。
导管集成设备的微创手术示意图
分析消融区的温度和电场分布，对预测和优化临床消融手术的结果至关重要。该器件的电极部分可用于施加电脉冲或射频信号，而温度传感器可检测消融区的温度。通过有限元仿真和实验对比，确定了脉冲场消融过程中的细胞死亡是由高电场引起的，而不是像射频消融一样由温度升高引起。在临床上，确定电场阈值对于预测消融结果的深度和大小至关重要。然而，目前的研究缺乏定量评估消融参数与效果之间关系的方法。该研究提出了一种通过消融实验和有限元仿真确定脉冲场消融电场阈值的方法，可以预先量化消融结果，为电生理学家和临床术者提供经验数据。
脉冲场的非热特性和消融阈值
电极和导管的集成使得心脏组织的消融过程具备更好的操作灵活性。该研究首先选择了大鼠进行低电压消融演示，并对大鼠心脏切片进行免疫荧光染色，以证明脉冲场消融在细胞水平的影响。使用大鼠心脏模型结合组织学检查可以很容易地评估消融效果。然而，啮齿类动物和人类之间存在固有的差异，如组织学、解剖学和结构，需要使用准确接近人类生理的大型动物模型（如比格犬）来进行研究。该研究采用先进的医疗标测设备，将集成在导管上的设备植入比格犬体内成功进行心内膜消融。在消融实验前，采用心内超声心动图导管来构建心脏的三维模型。之后高密度标测导管测量了组织表面的电位。在一系列电脉冲作用后，产生了由数个连续消融点组成的消融区，电压标测图显示该导管集成设备能够通过逐点脉冲场消融造成连续有效病变。
导管集成设备的大动物脉冲场消融在体实验
该研究面向临床重要疾病需求，通过微纳加工技术实现微传感器和执行器，为克服传统医疗设备不足提供新的解决方案。在未来，将此类装置应用于患者疾病诊治前，需要进行更多的临床前评估，以确定长期随访的性能（如一年）和脉冲场消融的最佳治疗参数。
研究团队
上海交通大学电院微纳电子学系博士生徐梦飞和上海交通大学附属胸科医院宋子良医生为共同第一作者，上海交通大学电院刘景全教授和上海交通大学附属胸科医院秦牧副主任医师为共同通讯作者，该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。
刘景全团队长期致力于可穿戴/可植入柔性电子器件、MEMS脑机接口器件、极端环境智能微传感器和微纳加工技术研究（Sci. Adv. 2021、Adv. Mater. 2021、Small 2019、Microsyst. Nanoeng. 2022和Biosens. Bioelectron. 2020等），并推动其临床转化。
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