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社区首页 >专栏 >用于原位识别小动物和非人灵长类动物血管狭窄和血栓的电子血管导管-信号链设计

用于原位识别小动物和非人灵长类动物血管狭窄和血栓的电子血管导管-信号链设计

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云深无际
发布于 2025-06-11 05:56:00
发布于 2025-06-11 05:56:00
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云深之无迹

纵是相见,亦如不见,潇湘泪雨,执念何苦。

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好久没有写论文里面的信号链系统了(这名字也太长了):

3月八号的文章,新的不行
3月八号的文章,新的不行

3月八号的文章,新的不行

论文里面最重要的就是:实验的设计和器械的设计。

《Electronic vascular conduit for in situ identification of hemadostenosis and thrombosis in small animals and nonhuman primates》

《用于原位识别小动物和非人灵长类动物血管狭窄和血栓的电子血管导管》:发表于 Nature Communications (2025),

DOI: 10.1038/s41467-025-58056-2。

研究背景

冠心病 (CAD) 和外周动脉疾病 (PAD) 常需进行旁路移植手术;小直径人造血管(<6 mm)常用于冠脉搭桥等手术,但存在 内皮化延迟、易发生血栓、再狭窄、高失败率;当前监测手段如彩超、MRI 等 依赖专业设备且无法连续原位监测,干预时机往往已晚。

电子血管导管与兔颈动脉端对端吻合
电子血管导管与兔颈动脉端对端吻合

电子血管导管与兔颈动脉端对端吻合

核心创新

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研究团队开发了一种电子血管导管(Electronic Vascular Conduit, EVC),融合:

  1. 仿生人造血管(PCL+TPU双层纳米纤维) 内层:轴向排列的 PCL 纳米纤维,有利于内皮细胞迁移; 外层:类血管力学的 TPU 纳米纤维,提高机械强度;
用于血流动力学监测的电子血管导管示意图及工作原理,血管电子器件的工作原理基于摩擦电效应和静电感应,在舒张和收缩状态交替过程中,两个摩擦层反复接触和分离,从而产生周期性的电信号。
用于血流动力学监测的电子血管导管示意图及工作原理,血管电子器件的工作原理基于摩擦电效应和静电感应,在舒张和收缩状态交替过程中,两个摩擦层反复接触和分离,从而产生周期性的电信号。

用于血流动力学监测的电子血管导管示意图及工作原理,血管电子器件的工作原理基于摩擦电效应和静电感应,在舒张和收缩状态交替过程中,两个摩擦层反复接触和分离,从而产生周期性的电信号

  1. 柔性压电传感器(基于摩擦电效应) 利用 PPy/PDMS 纳米结构层,在血管搏动中实现机械能→电信号转换;可实时感知血流脉动,出现血栓/狭窄时,输出波形明显改变
  2. BLE无线传输模块 + 手机App可视化界面 实现术后3个月以上的无线+原位+连续血流监测;模拟突发血栓、远/近端阻塞等情况时,传感器响应灵敏

动物实验验证

兔颈动脉移植模型

电子导管可替代颈动脉原位植入;能准确检测:心率变化;药物(如肾上腺素)干预引起的血流波动;模拟血栓(通过压迫阻塞)导致信号幅度变化;使用肝素控制血栓生成/溶解过程,信号能实时反映恢复趋势;

麻醉状态下的脉搏和呼吸波
麻醉状态下的脉搏和呼吸波

麻醉状态下的脉搏和呼吸波

食蟹猴颈/股动脉植入实验

真猴子
真猴子

真猴子

模型更接近人类生理;BLE模块嵌入皮下,实现真实场景下(清醒/活动状态)无中断信号采集;终止抗凝治疗后信号迅速下降,与超声检测结果吻合,证实电子导管可提前识别血栓形成。

生物相容性和修复性能

PCL/TPU 导管具良好生物相容性、力学匹配性和手术缝合强度;血管内皮化快速,3个月内无明显内膜增生或血栓形成;血管导管及集成传感器周围组织未见炎症,主要器官无异常,长期植入安全性好

下面就全是哥们儿的个人展示了,这个论文对信号链没有披露多少内容,都是正向设计了。

这就是唯一可以看的图了
这就是唯一可以看的图了

这就是唯一可以看的图了

基于 BLE(Bluetooth Low Energy)无线传输的电子血管导管系统 在食蟹猴(cynomolgus monkeys)体内的实时血流动力学监测实验

这是一个低功耗无线血流监测系统
这是一个低功耗无线血流监测系统

这是一个低功耗无线血流监测系统

先解读一下这个系统的组件:

Sensor(电子血管导管)  摩擦电式压力传感器,贴附于人工血管表面,感应血管搏动

AMP(放大器)  对摩擦电信号进行前级电压放大(信号通常为毫伏级)

ADC(模数转换器)  将模拟信号(电压)转换为数字信号,便于 MCU 处理

MCU(微控制器  控制逻辑核心,负责数据采集、封包处理、BLE通信等

BLE 无线模块  通过低功耗蓝牙将数据传输至手机 App,进行实时可视化

Timer(定时器)  控制数据采集的时间窗口和传输节奏(节能+周期性采样)

LDO(低压差稳压器)  提供稳压供电,保证传感器 + MCU 的工作稳定

Battery(锂电池)或无线供电  内置 140 mAh 电池供电,也可使用无线充电模块(文中提及两种方式)

信号链设计框图

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[摩擦电传感器]
      ↓ (AC电压输出)
[前级放大器 AMP]
      ↓(增益 ×20~100[低通滤波(抗混叠)][MCU 内建 ADC12-bit SAR][MCU 处理 & BLE 模块打包发送][手机 App 接收与可视化]

设计调理系统重要的是知道信号的参数:

参数

数值或特性

说明

输出类型

交流电压信号

取决于血管壁周期性形变

峰峰值电压(Vpp)

约 0.2–1.5 V(人体贴合),更低(体内)

受压力/接触面积影响

频率

1–4 Hz(对应 60–240 bpm)

可解析脉搏频率与形态

灵敏度

3.59 mV/mmHg(见 Fig. 3f)

与血压呈线性关系

响应时间

< 20 ms

快速检测心跳波形

工作寿命

>10,000 周期(无明显衰减)

满足长期植入使用需求

信号变化特征

- 阻塞时下降(近端闭塞) - 阻塞时上升(远端闭塞)

可识别血流异常和血栓形成

Fig. 3f
Fig. 3f

Fig. 3f

传感器的工作原理基于摩擦电效应(Triboelectric Effect):

  1. 血管搏动(收缩-舒张)导致导管表面周期性形变;
  2. 压力作用下,PDMS 和 PPy 层接触→产生摩擦电荷;
  3. 随着搏动变化,两层分离,形成电势差→产生电压信号;
  4. 该信号进入 AMP 放大 → ADC 采样 → MCU 处理
  5. BLE 模块将处理后的信号以预设周期发送到手机 App
前级放大器设计(Amplifier)
前级放大器设计(Amplifier)

前级放大器设计(Amplifier)

接下来看看这个AFE的设计:摩擦电输出电压幅度较低(通常在 0.1–1 V 区间)

别问为什么,问就是1.8V
别问为什么,问就是1.8V

别问为什么,问就是1.8V

使用 低功耗轨到轨运放(如 OPA333 或 TLV9061) 放大。

一眼高通滤波器
一眼高通滤波器

一眼高通滤波器

增益设置:通常为 20~100×,使用无源 RC 网络设定增益;单电源工作,输入共模范围覆盖 GND;放大后信号送入 MCU 内部 ADC 采样,避免使用外置 ADC 降低功耗和体积。

各级信号链组件与设计要点

前级放大器(Amplifier)

提升微弱电压信号至 ADC 可测范围(通常需 > 100 mV)

OPA333、TLV9061、LTC6081 等低噪轨到轨运放;

配置方式:非反相放大,电阻设定增益:

目标范围:

带宽考虑:目标信号带宽 < 10 Hz,运放带宽 > 100 Hz 即可;

滤波器(Anti-aliasing filter)

滤除高频干扰 + 降低 aliasing;一阶或二阶低通 RC 滤波器;

截止频率:10–20 Hz(略高于最高脉搏频率):

比如:R = 10 kΩ,C = 1 µF → fc ≈ 15.9 Hz

ADC(内置于 MCU)

MCU内置 12-bit SAR ADC;

采样率:10–100 Hz,足够解析心跳动态;

输入电压范围:0–Vref(一般为 3.3V);

传感器为 AC 信号,必须做 DC 偏置(加电阻偏置至 1.65V 中点)或使用整流。

MCU 数据处理

峰值检测(Pulse Amplitude)

RR 间隔测量(Heart Rate Variability)

Signal Denoising(低通滤波/平均)

定时打包并通过 BLE 广播

信号路径上的数值范围

用于可穿戴脉搏波监测的传感器的输出电压
用于可穿戴脉搏波监测的传感器的输出电压

用于可穿戴脉搏波监测的传感器的输出电压

以实际一个心跳波形为例:

信号阶段

电压幅度(典型)

放大后

ADC 输出(12-bit,3.3V ref)

原始

0.2 Vpp

×50 → 10 Vpp(被限幅)

限幅至 3.3V,分辨率 0.8 mV

滤波后

频率 < 10 Hz

偏置后

中点 1.65V,±0.5V 波动

对应 AD 码约 1300~2800

还是很简单的系统,散会!

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原始发表:2025-06-10,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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目录
  • 核心创新
  • 动物实验验证
    • 兔颈动脉移植模型
    • 食蟹猴颈/股动脉植入实验
  • 生物相容性和修复性能
  • 信号链设计框图
  • 各级信号链组件与设计要点
    • 前级放大器(Amplifier)
    • 滤波器(Anti-aliasing filter)
    • ADC(内置于 MCU)
    • MCU 数据处理
  • 信号路径上的数值范围
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