创新性地提出了一种无电池、无电路的超声传感与通信方法，实现了微创、高效的体内生理信号监测，有望推动体内健康监测设备的进一步发展。

2月19日，清华大学冯雪及李海成团队在《Science Advances》发表文章 “Flexible circuit-free system via passive modulated ultrasound for wireless thoracic pressure monitoring”，文章提出了用于植入式医疗设备(IMDs)的被动调制超声(PMU)原理，并开发了用于胸腔压力监测的无电路超声系统(CUS)，为IMDs的发展提供了新方向，在心脏疾病监测和诊断方面具有重要意义和应用潜力。

创新性：基于被动调制超声（PMU）的无电源通信方式，突破了现有IMDs对电池和电路的依赖，提高了生物安全性和使用寿命；CUS体积仅2.5 mm（半径）× 850 μm（高度），远小于现有的植入式传感器；成功应用于兔子胸腔压力监测；与传统ECG相比，CUS能更早检测到心肌梗死等疾病状态。

局限性：由于PMU原理依赖于被动调制的超声反射信号，该方法在复杂生理环境下可能受到噪声干扰，如何确保信号的稳定解码仍是挑战；未来在人类患者中的长期生物相容性、植入手术的安全性仍需进一步研究。

临床应用潜力：该设备可以用于实时监测心脏相关压力变化，例如心肌梗死、充血性心力衰竭或高血压患者的心脏功能评估，为临床诊断和治疗提供关键数据；由于无电池、无电路，CUS相比传统植入式设备大幅降低了体积和生物风险，未来可能成为心血管、神经系统等疾病长期监测的一种理想方案。

该研究在无电池、无电路的植入式超声传感技术方面具有重要的创新性，为未来超小型、低功耗的生物医学传感器提供了新方向。有望在心血管疾病监测、个性化医疗和远程健康管理等领域发挥重要作用。

*评论内容仅供参考，一切以英文原文为准

IMDs为各种医疗保健应用提供有效的医疗解决方案。由于需要预期功能，例如与外部设备通信，电路对于植入式设备至关重要。电路存在多种风险，例如生物相容性问题、功率限制或尺寸限制。在这项工作中，提出了一种用于IMDs的被动调制超声(PMU)原理，并开发了一种用于胸压监测的无电路超声系统(CUS)。

PMU原理可以将监测到的生理信号被动地调制成超声波脉冲，而无需使用电路或电源。开发的CUS的尺寸半径仅为2.5毫米，高度仅为850微米。动物实验表明，CUS具有高灵敏度，可以监测胸腔压，以帮助诊断不同的心脏病，包括心脏骤停和心肌梗塞。PMU为IMDs提供了一种人性化的无线传感和通信策略，可促进人体内医疗保健应用的进步。

图1 PMU原理及CUS示意图

PMU原理和CUS设计：PMU原理通过外部设备发射和接收超声，CUS基于监测的生理信号被动调制反射的超声脉冲。CUS由压电换能器和电阻式传感器组成，结构简单、尺寸小，具有良好的生物相容性和柔韧性。

PMU原理机制：基于压电材料的机电耦合效应，通过调整外部可变电阻改变反射超声脉冲的幅度，建立网络模型从理论上描述该原理，实验结果验证了其可行性和正确性。

CUS的设计与性能：选择2MHz频率和2.5mm半径的换能器，采用1-3压电复合材料制作换能器，其具有高压电系数和良好的声阻抗匹配。体外实验表明，CUS校准曲线线性良好，灵敏度高，受侧向偏差、倾斜角度和弯曲变形影响小。

胸腔压力监测：设计动物实验，将CUS植入兔子胸部皮下监测胸腔压力。结果表明，CUS能准确监测正常和异常心脏状态下的胸腔压力，在心肌梗死实验中，CUS监测的胸腔压力幅度和频率变化可用于早期预警和诊断。

图2 PMU机制

图3 CUS的设计和性能

图4 体内实验监测胸部压力

图5 体内实验监测心肌埂塞

文章链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads5634