Vascular Capsule for Telemetric Monitoring of Blood Pressure

Abstract

Purpose: Development and experimental evaluation of an intravascular monitoring system for telemetric measurement of blood pressure and heart rate. Materials and Methods: The monitoring system consists of an implantable silicone capsule (diameter 2.3 mm), containing a dedicated microchip with pressure sensors and signal-processing circuits as well as an antenna for wireless data and energy transfer using 6.78 MHz transponder technology. Three self-expanding legs at one end of the capsule served as a mechanism to lock the capsule at an arterial branch. A flow model, driven by a ventricular assist system, was used for testing and optimizing the implantation equipment, for checking the anchoring mechanism and for ensuring transmission of the measured pressure to the readout unit. In-vivo experiments were performed in 8 minipigs (weight 25 to 30 kg), with three capsules placed in each minipig via the femoral artery using a dedicated 8-F sheath/pusher system. Follow-up was by CT angiography for up to 6 months after implantation. Results: Flow model tests revealed a maximum deviation of pressure and heart rate measurements of 5% from the reference measurements. Signal transmission was reliable over a distance of 3 to 4 cm. Fluoroscopically guided in-vivo implantation of the capsules was simple and straightforward. In arteries with a diameter of 5 to 6 mm, the capsules were permanently fixed with one or two legs interlocked in side branches and without occlusion within 6 months. Three capsules developed a small non-occlusive appositional thrombus attached to the downstream (leg) part of the capsule. Conclusion: Our in-vitro and in-vivo experiments demonstrate the feasibility of wireless transmission from a capsule with a sufficient resolution of the sensor output signals to determine blood pressure and pulse rate. As long as the vessel diameter is wide enough, arterial fixation of the capsule does not induce thrombotic occlusion of the parent artery. With respect to future clinical applications, further refinements of the transmission technology are needed to extend the transmission distance between capsule and reader antenna. The technology of intelligent implants has further implications, such as monitoring of other physiological parameters, and the design of a control loop, which may be used for therapeutic feedback.

Zusammenfassung

Ziel: Die Entwicklung und experimentelle Erprobung eines intravaskulären Monitoring-Systems zur telemetrischen Erfassung von Blutdruck und Herzfrequenz. Material und Methode: Das System besteht aus einer implantierbaren Silikonkapsel (Durchmesser 2,3 mm), die einen speziell entwickelten Mikrochip mit Drucksensoren und Transponderelektronik, sowie eine Antenne zur drahtlosen Daten- und Energieübermittlung in 6,78 MHz-Technologie beinhaltet. Drei selbstexpandierbare Beinchen am Kapselende dienen als Verankerungsmechanismus in einer arteriellen Gefäßaufzweigung. An einem Flussmodell wurden das Implantationsbesteck getestet und optimiert, der Verankerungsmechanismus kontrolliert, und die verlässliche Übermittlung der gemessenen Druckwerte zur externen Lesestation überprüft. Bei in-vivo-Experimenten an 8 Minipigs (25 - 30 kg) wurden je drei Kapseln über einen femoral-arteriellen Zugang unter Verwendung eines speziellen 8-F-Schleusen/Pusher-Systems platziert. Nachuntersuchungen mit CT-Angiographie erfolgten bis zu 6 Monaten nach Implantation. Ergebnisse: Die maximale Abweichung von Druck und Pulsrate von den Referenzwerten betrug 5 %. Die Datenübertragung war über eine Distanz von 3 - 4 cm möglich. Die durchleuchtungsgesteuerte Implantation der Kapseln gelang problemlos. In Arterien mit einem Durchmesser von 5 - 6 mm waren die Kapseln innerhalb von 6 Monaten permanent fixiert, ohne einen Gefäßverschluss hervorzurufen. An 3 Kapseln bildete sich ein kleiner, nicht-okklusiver Appositionsthrombus. Schlussfolgerungen: Unsere Untersuchungen demonstrieren die Durchführbarkeit einer Blutdruck- und Frequenzüberwachung mittels einer intravaskulären Transponderkapsel. Bei ausreichendem Gefäßdurchmesser ist eine dauerhafte Kapselfixation ohne Gefäßokklusion möglich. Für zukünftige klinische Anwendungen muss jedoch die Übertragungsdistanz erhöht werden. Die Technologie des intelligenten Implantates bietet weitere Anwendungsmöglichkeiten, z. B. Überwachung anderer physiologischer Parameter oder die Ausbildung eines therapeutischen Regelkreises.

Key words

Microelectromechanical system - transponder technology - pressure sensor - non-invasive blood pressure monitoring

Schlüsselwörter

Mikroelektromechanisches System - Transponder-Technologie - Druckmessung - Nichtinvasive Blutdrucküberwachung

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