Integreret sensor kunne overvåge behandling af hjerneaneurisme

Implantation af en stentlignende flowdiverter kan tilbyde en mulighed for mindre invasiv behandling af hjerneaneurismer - buler i blodkar - men proceduren kræver hyppig overvågning, mens karrene heler. Nu, et forskerhold på flere universiteter har demonstreret proof-of-concept for en meget fleksibel og strækbar sensor, der kunne integreres med flowdiverteren for at overvåge hæmodynamikken i et blodkar uden dyre diagnostiske procedurer.

Sensoren, som bruger kapacitansændringer til at måle blodgennemstrømning, kunne reducere behovet for test for at overvåge flowet gennem omlederen. Forskere, ledet af Georgia Tech, har vist, at sensoren nøjagtigt måler væskeflow i dyreblodkar in vitro, og arbejder på den næste udfordring:trådløs drift, der kunne tillade in vivo test.

Forskningen blev rapporteret den 18. juli i tidsskriftet ACS Nano og blev støttet af flere tilskud fra Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology, University of Pittsburgh og Korea Institute of Materials Science.

"Det nanostrukturerede sensorsystem kan give fordele for patienter, herunder en mindre invasiv aneurismebehandling og en aktiv overvågningsevne, " sagde Woon-Hong Yeo, en assisterende professor i Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering. "Det integrerede system kunne give aktiv overvågning af hæmodynamikken efter operationen, giver lægen mulighed for at følge op med kvantitativ måling af, hvor godt flowdiverteren fungerer i behandlingen."

Cerebrale aneurismer forekommer hos op til fem procent af befolkningen, med hver aneurisme med en risiko på én procent om året for at briste, bemærkede Youngjae Chun, en lektor ved Swanson School of Engineering ved University of Pittsburgh. Aneurismeruptur vil forårsage død hos op til halvdelen af ​​de berørte patienter.

Endovaskulær terapi med platinspiraler til at fylde aneurismesækken er blevet standardbehandlingen for de fleste aneurismer, men for nylig er en ny endovaskulær tilgang – en flowdiverter – blevet udviklet til at behandle cerebrale aneurismer. Flowdiversering involverer at placere en porøs stent hen over halsen på en aneurisme for at omdirigere flowet væk fra sækken, generere lokale blodpropper i sækken.

"Vi har udviklet en meget strækbar, hyperelastisk flowdiverter ved hjælp af en meget porøs tynd film nitinol, " Chun forklarede. "Ingen af ​​de eksisterende strømningsafledere, imidlertid, give kvantitative, overvågning i realtid af hæmodynamikken i sækken af ​​cerebral aneurisme. Gennem samarbejdet med Dr. Yeos gruppe på Georgia Tech, vi har udviklet et smart flow-diverter-system, der aktivt kan overvåge flowændringerne under og efter operationen."

At reparere den beskadigede arterie tager måneder eller endda år, hvor flowdiverteren skal overvåges ved hjælp af MR- og angiogramteknologi, hvilket er dyrt og involverer injektion af et magnetisk farvestof i blodbanen. Yeo og hans kolleger håber, at deres sensor kan give en enklere overvågning på et lægekontor ved hjælp af en trådløs induktiv spole til at sende elektromagnetisk energi gennem sensoren. Ved at måle, hvordan energiens resonansfrekvens ændres, når den passerer gennem sensoren, systemet kunne måle blodgennemstrømningsændringer i sækken.

"Vi forsøger at udvikle en batteriløs, trådløs enhed, der er ekstremt strækbar og fleksibel, som kan miniaturiseres nok til at blive dirigeret gennem hjernens små og komplekse blodkar og derefter udfoldet uden skade, " sagde Yeo. "Det er en meget udfordrende at indsætte et sådant elektronisk system i hjernens smalle og konturformede blodkar."

Sensoren bruger en mikromembran lavet af to metallag, der omgiver et dielektrisk materiale, og vikler sig rundt om strømningsaflederen. Enheden er kun et par hundrede nanometer tyk, og er produceret ved hjælp af nanofabrikation og materialeoverførselstrykteknikker, indkapslet i et blødt elastomert materiale.

"Membranen afbøjes af strømmen gennem aflederen, og afhængigt af styrken af ​​flowet, hastighedsforskellen, mængden af ​​afbøjning ændres, "Yeo forklarede. "Vi måler mængden af ​​afbøjning baseret på kapacitansændringen, fordi kapacitansen er omvendt proportional med afstanden mellem to metallag."

Fordi hjernens blodkar er så små, flowdiverterne kan ikke være mere end fem til ti millimeter lange og få millimeter i diameter. Det udelukker brugen af ​​konventionelle sensorer med stive og omfangsrige elektroniske kredsløb.

"At sætte funktionelle materialer og kredsløb i noget i den størrelse er stort set umuligt lige nu, " sagde Yeo. "Det, vi laver, er meget udfordrende baseret på konventionelle materialer og designstrategier."

Forskerne testede tre materialer til deres sensorer:guld, magnesium og nikkel-titanium-legeringen kendt som nitinol. Alt kan sikkert bruges i kroppen, men magnesium giver mulighed for at blive opløst i blodbanen, efter at det ikke længere er nødvendigt.

Bevis-of-princip-sensoren blev forbundet til en guidewire i in vitro-testningen, men Yeo og hans kolleger arbejder nu på en trådløs version, der kunne implanteres i en levende dyremodel. Mens implanterbare sensorer bruges klinisk til at overvåge abdominale blodkar, anvendelse i hjernen skaber betydelige udfordringer.

"Føleren skal være fuldstændig komprimeret for placering, så den skal være i stand til at strække 300 eller 400 procent, " sagde Yeo. "Sensorstrukturen skal være i stand til at udholde den slags håndtering, samtidig med at den kan tilpasses og bøjes for at passe ind i blodkarret."