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新型无线系统:为体内微型医疗设备供电并与之通信!


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背景

  传统医疗设备,一般都是笨重而且昂贵的,需要放置在医院实验室中,只有专门技术人员才能操作。然而,随着半导体、无线通信、物联网、新材料等技术不断发展,创新型医疗设备不断出现,并呈现出便携、轻量、灵巧、小型、生物相容、生态友好等新特点。

  其中,可植入和可摄取的医疗设备能在人体内运行,为疾病的诊断、监测、治疗带来了新方法,例如它们可用于给药、监测生命体征、检测胃肠道运动、通过电刺激或光刺激治疗脑部疾病等等。

  然而,可植入和可摄取的医疗设备往往都需要在人体内长时间驻留和运作,因此持续、安全、稳定的能量供应对于它们来说显得非常重要。

  拿心脏起搏器来说,它采用的是传统电池,所以其电量终有耗尽的时候,一般大约5到10年就需要更换一次电池。但是,更换体内的电池并不容易,需要再进行一次手术,对于患者来说这又将是一次的痛苦体验,甚至会增加感染的风险。此外,电池也可能会含有有毒物质,万一发生泄漏,会影响患者身体健康。还有,电池的存在无疑会占据一定空间,增加医疗电子设备的尺寸,影响它们的设计和性能。

  针对上述问题,科学家们开展了许多研究。让我们先来回顾一下采用新型电池供电的两个案例:

  1)瑞士伯尔尼大学医院和伯尔尼大学的研究人员发现采用位于皮肤下的小型太阳能电池,从冬季到夏季,都可以为心脏起搏器供给足够的能量。

  2)美国麻省理工学院和布列根和妇女医院的研究人员设计出一种由胃酸提供能量的微型伏打电池,它能产生足够多的能量为小型传感器或给药设备供电,使其在胃肠道驻留更长时间。

    然而,我们不禁还会想,既然用电池为体内医疗设备供电有这么多缺点,那么有彻底摆脱电池的供电方案吗?答案是:有。下面,让我们再来看几个经典的研究案例:

  1)美国麻省理工学院、布列根和妇女医院、查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室的科研人员通过无线能量传输的方式,为消化道内的可摄取的医疗电子设备供电。

   2)美国加州大学洛杉矶分校和康涅狄格大学的科研人员合作开发一种新型系统,它可以为心脏起搏器等植入式医疗设备供电。该系统主要由两部分组成:能量存储(生物超级电容)和能量采集(采集人体热量和运动能量的设备)。

  创新

  在众多无需电池的供电方案中,今天让我们重点关注一下用过体外天线发射无线电波的供电方式。然而,这种方式的主要障碍在于:无线电波通过人体时会显著衰减,以至于弱到无法提供足够的电力。

  为了克服这一障碍,近日美国麻省理工学院(MIT)、哈佛医学院(HMS)、布列根和妇女医院(BWH)的科学家们开发出一种为人体深处的植入式医疗设备供电并与之通信的新系统,他们称之为“体内联网”(IVN)系统。

    相关论文将在美国计算机协会数据通信专业组(SIGCOMM)8月份召开的年度旗舰会议上发表。论文作者包括:MIT 媒体实验室助理教授 Fadel Adib、布列根和妇女医院和哈佛医学院的助理教授以及MIT科赫综合癌症研究所 (Koch Institute for Integrative Cancer Research)研究员 Giovanni Traverso、MIT媒体实验室博士后 Yunfei Ma、MIT 媒体实验室研究生 Zhihong Luo、MIT 科赫综合癌症研究所的博士后研究员 Christoph Steiger。

  技术

  这些无线电波可以安全地穿过人体组织,为植入式医疗设备供电。在针对猪的测试中,这种无线电波可以在1米以外的距离,为组织中10厘米深处的设备供电。如果传感器非常接近皮肤表面,那么在38米以外的地方就可以为它们供电。

  因为无需电池,所以这些设备可以做得非常小。在这项研究中,研究人员测试了一粒米大小的原型设备,但是他们预计设备还可以做得更小。

  “体内联网”(IVN)的系统是一种含有多个天线的设计,这些天线会发出频率稍有差异的无线电波。在无线电波传输的过程中,它们以不同的方式相互叠加并结合。在某些时候,这些波的顶点相互重叠,从而可以提供足够多的能量为植入式传感器供电。

    Adib 表示:“我们选择相互之间稍有差异的频率,这样一来,我们知道在某些时间点,它们将同时达到顶点。当同时达到它们的顶点时,它们能够超过为这些设备供电所需的能量阈值。”

  这项技术利用复杂的信号生成技术,使得信号可以在传感器中建设性地相互结合,激发这些传感器,为它们供电并与之通信。有了新系统,研究人员不用知道传感器在身体中的确切位置,因为能量可以大范围地传播。这也意味着,它们可以一次为多个设备供电。在传感器接收能量脉冲的同时,它们也会接收到一个告诉它们将信息发回天线的信号。研究人员称,这个信号也可以用于刺激释放药物、电流脉冲、光脉冲。

   目前,科研团队正在研究让电力传输变得更加高效且距离更远。研究人员称,这项技术也有望改善其他领域中的RFID应用,这些领域包括:库存控制、零售分析、智能环境。未来,它将带来更远距离的追踪与通信。

 


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