Ученые создали имплантат, с рисовое зерно, использующий систему беспроводного снабжения энергией
Современные имплантаты, кардиостимуляторы и другие медицинские устройства для своей работы требуют наличия внутренних источников питания, химических или аккумуляторных батарей. Есть другие подобные устройства, которые получают требующуюся им энергию по тонким проводам, проходящим сквозь ткани тела пациента. В любом случае, для замены батареи, для зарядки аккумулятора и для ремонта проводников требует достаточно сложная хирургическая операция, усложняющаяся по мере того, насколько меньшие размеры имеет сам имплантат. Но через некоторое время дни имплантатов со встроенными источниками питания закончатся, и первым шагом к этому стал имплантат-кардиостимулятор, размером с рисовое зерно, которые получает энергию через специализированную беспроводную систему.
Идея использования беспроводной передачи для снабжения энергией медицинских имплантатов была сформулирована еще в 1960-х годах. Изначально предлагалось передавать ее в виде радиоволн, излучаемых антенной на базе индукционных катушек. При таком подходе источники энергии всегда оставались за пределами тела пациента, значительно упрощая процедуру их замены, а сам имплантат мог работать теоретически бесконечно. Но практически такой подход оказался крайне неэффективным, для передачи необходимого для работы имплантата количества энергии мощность передатчика должна была составлять десятки Ватт, чего достаточно для нанесения значительного побочного ущерба организму пациента.
Джон Хо (John Ho) и Ада Пун (Ada Poon), исследователи из Стэнфордского университета, Сэнгоек Ким (Sanghoek Kim), инженер из компании Qualcomm, в прошлом году начали разрабатывать конструкцию нового передатчика для систем беспроводного энергоснабжения медицинских имплантатов. Сначала ими была разработана система математических уравнений, описывающих потоки электричества в "идеальном" передатчике, и на базе этих уравнений были произведены расчеты. Результаты эти расчетов показали, что наилучшие характеристики будет демонстрировать система, работающая на частоте порядка 2 ГГц, на частоте, на которой работают сотовые телефоны.
Имея на руках теоретические данные, исследователи рассчитали конструкцию передатчика энергии, имеющего уникальную форму антенны. Эта антенна представляет собой 6-сантиметровую квадратную пластину, на которой изготовлено 4 сложных контура передающей антенны. Эта антенна, вместе с передатчиком, работающим на частоте 1.6 ГГц, крепится на поверхности кожи пациента непосредственно над местом размещения имплантата.
В качестве экспериментального имплантата был использован крошечный кардиостимулятор, размером всего в 2 миллиметра. Этот кардиостимулятор был внедрен в подопытное животное и дальнейшие испытания показали, что для устойчивой работы крошечного устройства достаточно мощности передатчика, в 100 раз меньшей, чем мощности передатчиков на основе индукционных катушек.
К сожалению, не все исследователи в области медицинских имплантатов с восторгом восприняли разработанную технологию беспроводного снабжения устройств энергией. По их мнению, устройства, имеющие батарейное питание, более надежны и более безопасны, их работа практически не зависит от внешних условий. Батарейка имплантата перестанет работать при ее разряде, что легко прогнозируется, или при физическом ее разрушении, хотя в этом случае пациент уже вряд ли будет нуждаться в функциях имплантата. "Но, в любом случае, это очень интересная идея" - рассказывает Вивек Редди (Vivek Reddy), медик и исследователь из Нью-Йорка, - "Такая технология, на работу которой могут повлиять какие-нибудь внешние воздействия, может быть использована для снабжения энергией имплантатов и устройств, работа которых не является вопросом жизни или смерти пациента".
Идея использования беспроводной передачи для снабжения энергией медицинских имплантатов была сформулирована еще в 1960-х годах. Изначально предлагалось передавать ее в виде радиоволн, излучаемых антенной на базе индукционных катушек. При таком подходе источники энергии всегда оставались за пределами тела пациента, значительно упрощая процедуру их замены, а сам имплантат мог работать теоретически бесконечно. Но практически такой подход оказался крайне неэффективным, для передачи необходимого для работы имплантата количества энергии мощность передатчика должна была составлять десятки Ватт, чего достаточно для нанесения значительного побочного ущерба организму пациента.
Джон Хо (John Ho) и Ада Пун (Ada Poon), исследователи из Стэнфордского университета, Сэнгоек Ким (Sanghoek Kim), инженер из компании Qualcomm, в прошлом году начали разрабатывать конструкцию нового передатчика для систем беспроводного энергоснабжения медицинских имплантатов. Сначала ими была разработана система математических уравнений, описывающих потоки электричества в "идеальном" передатчике, и на базе этих уравнений были произведены расчеты. Результаты эти расчетов показали, что наилучшие характеристики будет демонстрировать система, работающая на частоте порядка 2 ГГц, на частоте, на которой работают сотовые телефоны.
Имея на руках теоретические данные, исследователи рассчитали конструкцию передатчика энергии, имеющего уникальную форму антенны. Эта антенна представляет собой 6-сантиметровую квадратную пластину, на которой изготовлено 4 сложных контура передающей антенны. Эта антенна, вместе с передатчиком, работающим на частоте 1.6 ГГц, крепится на поверхности кожи пациента непосредственно над местом размещения имплантата.
В качестве экспериментального имплантата был использован крошечный кардиостимулятор, размером всего в 2 миллиметра. Этот кардиостимулятор был внедрен в подопытное животное и дальнейшие испытания показали, что для устойчивой работы крошечного устройства достаточно мощности передатчика, в 100 раз меньшей, чем мощности передатчиков на основе индукционных катушек.
К сожалению, не все исследователи в области медицинских имплантатов с восторгом восприняли разработанную технологию беспроводного снабжения устройств энергией. По их мнению, устройства, имеющие батарейное питание, более надежны и более безопасны, их работа практически не зависит от внешних условий. Батарейка имплантата перестанет работать при ее разряде, что легко прогнозируется, или при физическом ее разрушении, хотя в этом случае пациент уже вряд ли будет нуждаться в функциях имплантата. "Но, в любом случае, это очень интересная идея" - рассказывает Вивек Редди (Vivek Reddy), медик и исследователь из Нью-Йорка, - "Такая технология, на работу которой могут повлиять какие-нибудь внешние воздействия, может быть использована для снабжения энергией имплантатов и устройств, работа которых не является вопросом жизни или смерти пациента".