用于调节神经活动的植入式电子生物设备可以用于治疗对传统药物耐药的疾病，例如帕金森氏症、癫痫、慢性疼痛、听力损失和瘫痪等。然而，对于许多神经靶来说，植入侵入性及植入物体积过大等诱发的慢性炎症等可能会给患者带来额外的风险。
2022年3月31日，莱斯大学生物工程系、电气与计算机工程系以及贝勒医学院神经科学系研究团队合作于NAT BIOMED ENG发文，题为A wireless millimetric magnetoelectric implant for the endovascular stimulation of peripheral nerves. Sunil A.Sheth/Kaiyuan Yang/ Jacob T. Robinson共为文章通讯作者，文章报告了一种血管内无线和无电池的毫米级植入物的设计和体内概念验证测试，用于刺激通过传统手术难以触及的特定周围神经。
与现有的神经植入物相比，该毫米级的血管内神经刺激器(Evns)通过血管内导管输送到深层组织靶点，通过ME效应接收数字数据，以编程电刺激的幅度和时序，具有高功率密度、高容错性和在深部组织中运行的能力。
此外，大型动物模型中的模拟实验表明，使用放置在血管内的电极安全地刺激周围神经是可能的，且微创手术风险低、恢复快、不易出现感染。这些研究为基于Evns的微创生物电子疗法打开了大门。
知识补充：ME磁电技术、EVN毫米级血管内神经刺激器、SIC专用集成电路、ME-BIT 磁电生物植入物、IC集成电路
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1. ME与定制的ASIC相结合
可实现毫米级别的神经刺激器
图一：无线磁电血管内神经刺激仪概述
该ME-BIT由用于无线功率和数据传输的磁电膜、用于调制ME功率和刺激的ASIC以及用于能量存储的外部电容器组成，该系统可封装在导管内。在实验中，研究人员将ME-BIT包装在定制的三维打印的带有板载电极聚乳酸胶囊中，用于为外部电极供电。
此微型胶囊不仅可以通过微创导管输送，还可以作为一个完整的神经调节装置，接受电力、编程并将刺激传递到神经组织。大型动物模型中实施的系统的概念如上图，其中表面线圈可用于无线传输磁场以对植入物进行供电并对其编程进行血管内刺激。
图二：ME-BIT的时序和功能图
2. 定制的磁场发射器可以在安全范围内
实现厘米深度的数据和功率传输
研究人员设计了一个磁场发射器，将高频两相电流驱动到谐振线圈中，向毫米级植入物提供数据和功率。通过将发射机功率水平保持在1 W以下，获得大于1 mT的场强，这足以在安全限制范围内向4厘米深处的ME-BIT供电。
他们通过对外加磁场频率进行失谐来向ME-BIT发送数字信号，选择3个频率来传输数字数据，分别为345 KHz，最大电压(和最大功率传输)的频率；350kHz，产生较低幅度的电压的频率；400 kHz，用于指示数据传输和刺激阶段的开始。
通过使用ME膜的机械性能来接收基于频率调制的数据，避免了开关发射机线圈，有效载荷与充电阶段相结合，产生的最大刺激频率为1 khz，最大功率为4 mW，这满足大多神经刺激应用。
图三：ME功率传输的表征
3. ME植入物对偏移具有高容错性
研究人员发现，与其他毫米级植入物相比，ME-BITs对平移和角度偏差具有更好容错性。模拟表明，ME-BITS允许发射机线圈中心大约3厘米的平移和组织中3厘米的深度不对准。
使用有限元模型(COMSOL)对磁场进行建模，发现线圈内径6厘米处的磁场几乎均匀(>发射机总面积的70%)，此外ME-BIT也具有较好的角度容错。对准容差的改进对于可穿戴发射器的应用是有利的。
图四：在体直接神经刺激大鼠模型
4. ME-BIT直接刺激大鼠神经的
可编程性和完全不受束缚的操作
概念验证实验表明，无线供电的ME-BITS在与坐骨神经接触时会激发可重复的复合肌肉动作电位(CMAP)以及可观察到的腿部踢腿。这种微型植入物的体积为6.2mm3，重量为30 mg，适用于小型啮齿动物模型，并能够在体内直接刺激大鼠周围神经。
ME-BIT上的刺激参数可以通过磁场发送适当的命令来调整，其刺激幅度从0.3V到3.3V，能够改变脉冲宽度和频率，以满足不同神经调节应用的需求，并提供有针对性的治疗，以解决患者之间的差异。
通过调整刺激和脉冲宽度，能够控制传递到神经的总电荷，以直接影响招募的运动单位的数量，从而引发不同的CMAP反应。
图五：血管内周围神经刺激在大型动物模型中的应用
5. ME系统演示了针对多个
神经目标的无线血管内神经刺激
为了展示血管内神经刺激和临床转化的潜力，研究人员将ME-BIT植入猪体内，并使用无线供电设备从血管内演示了周围神经刺激。手术部位的图像显示股神经和股动脉，包裹的植入物放置在血管的近端。然后将磁场发射器带到皮肤表面，以无线方式为植入距离为1.5厘米的植入物供电。
结果显示ME-BIT能够以不同的刺激频率通过股动脉刺激股神经。通过X射线可以看到ME和ASIC，这可以使植入后的设备可视化和监控。组织学评估的组织样本未发现血管内刺激造成的急性血管损伤。
总 结
这项工作展示了一种磁电驱动的生物电子植入物在一个大型动物模型中的应用，并突出了这种无线能量传输技术在生物医学应用中的几个优势：
1、大角度和横向偏差容差有利于未来使用可穿戴发射器为ME-BIT供电和通信。
2、ME薄膜只需要不到1mT的电场强度，可以通过材料本身的刺激或通过为定制集成电路供电来激活神经元所需的功率密度。
3、无线功率传输对ME有利，因此有可能将设备的尺寸大大减小至亚毫米级。
这些将使这项技术很容易转化为临床，甚至可能允许患者在家中使用植入物。
Chen JC, Kan P, Yu Z, Alrashdan F, Garcia R, Singer A, Lai CSE, Avants B, Crosby S, Li Z, Wang B, Felicella MM, Robledo A, Peterchev AV, Goetz SM, Hartgerink JD, Sheth SA, Yang K, Robinson JT. A wireless millimetric magnetoelectric implant for the endovascular stimulation of peripheral nerves. Nat Biomed Eng. 2022 Mar 31. doi: 10.1038/s41551-022-00873-7. Epub ahead of print. PMID: 35361934.
编译作者：zouki（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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