导读


如今,医疗设备不仅越来越便携,而且甚至可以吞服进消化道。可消化的医疗电子设备成为又一创新热点,但是这些电子设备往往需要在体内驻留很长时间,能量供应是最关键的问题。然而,科学家们又是如何通过创新的方案,应对这一难题的呢?

技术关键字

植入式医疗、无线能量传输

背景

近些年来,可消化的医疗电子设备例如可消化的内窥镜、胃起搏器、给药器等等,逐渐成为便携式医疗设备之外的又一创新热点。


这些可消化的医疗电子设备,和传统医疗设备相比,具有体积小、创伤小、灵活、便捷的特点,并且可实时检测和治疗疾病。


例如:《这个微型传感器就像你吞下的听诊器》一文中,John 就介绍过一种可吸收的传感器,它可以检测心率和胃肠道的呼吸。

(图片来源于: Albert Swiston/麻省理工学院林肯实验室)


另外,还有一种由麻省理工学院研发的星型给药设备,它折叠封装于一个胶囊内,一旦服下,可数周或者数月的逐渐给药。


(图片来源于: Melanie Gonick/麻省理工学院)


一般来说,这些可消化的电子设备需要在人的消化道里长期驻留,进行体温监测、胃肠道环境监测、发放药物等活动,为了保证其在消化道内稳定有效地工作,持续、安全、稳定的能量供应显得十分重要


说起能量供应,我们首先会想到电池。但是,电池应用于这些可消化的医疗电子设备,有两个重要缺陷:


  • 电池可能无法和胃肠道的粘膜兼容,会引起人体不适。

  • 电池的生命周期有限,如果没电了,又无法充电,那么必然要更换电池,可是在人体内消化道内更换电池不是一件容易的事。


但是,科学家们仍未停止对于电池的探索,麻省理工学院和布列根和妇女医院科研团队研发过一种“新型电池”,它由胃酸提供能量,给小型医疗传感器或者给药设备供电,使其在肠道可以驻留更长时间。


(图片来源于:麻省理工学院)

可是,这种方案也存在一个缺陷就是随着时间的推移,电池的金属电极有时候会停止工作。


那么,我们不禁要问:


除了电池以外,还有其它能量供给方案吗?


创新

最近,麻省理工学院和布列根、妇女医院科研团队和查尔斯斯塔克德雷珀实验室的科研人员进行了创新探索,它可以通过无线能量传输的方式,为消化道内的可消化的医疗电子设备供电。


(图片来源于:麻省理工学院)

这项研究的论文于4月27日的发表在《科学报告》杂志上。论文的首作者是麻省理工学院的前研究生 Abubakar Abid,其它作者还有麻省理工学院的教授 Robert Langer、助理研究员 Giovanni Traverso 等。


简单一点说,它的创新点在于:


通过身体外部的天线,向消化道内的天线,进行无线能量传输。而这些能量足以保证传感器正常工作,例如检测消化道环境、温度、特殊营养成本等指标

技术

接下来,聊聊这项创新采用的技术。


起初,研究人员考虑使用「近场耦合的能量传输技术,即使用两根天线,在非常近的距离内传输能量。目前,这项技术已经用于某些手机充电器中。


但是,因为可消化的电子设备位于消化道内,所以需要的能量传输距离是5到10厘米。


另外,为了保证一定的能量传输效率,就会要求接收端天线变得大一点。但是,作为需要进入消化道的小型设备来说,体积必须足够小才能便于吞服,所以这又造成了一对矛盾体。


在这样的挑战下,他们采用了一种「中场耦合的能量传输技术,这项技术的传输距离更长了一点,能量传递效率也较高。


之前,斯坦福大学的科研人员设计过一种植入式的心脏起搏器,就采用过类似的技术进行能量供应。


(图片来源于:斯坦福大学)

在研究过程中,研究人员通过模拟,评估了中场耦合的效率和特定的辐射吸收速率,如下图所示:


(图片来源于:参考资料【4】)

另外,为了测试中场耦合能否有效地将体外的能量,带给消化道内的设备,科学家设计出了一种可在活体组织中有效工作的天线。


随后,他们用猪进行测试,在它的身体外放置一个发射天线,分别在它的食道、胃、结肠这三个不同的位置放置接收天线。


经过测量,传输功率分别是37.5 微瓦、123 微瓦 、173 微瓦,足以给体内的电子设备供电,而且重要的是,不会损伤组织。

(图片来源于:参考资料【4】)

价值


这项技术最大的价值,就是可以取代电池


这种方型的天线边长6.8毫米,十分小巧,便于进入消化道。但是,外部的天线可以做的更大点,从而可以提供更多的能量。


所以,这项创新为我们提供一种新的方式和思路,让我们在为无线设备供电时,不再拘泥于电池。


另外,这项技术可以和其它电子技术进行深度融合,进一步应用于传感器、监控、刺激或者驱动方面。


未来


研究人员将继续开发更多不同的方式,为消化道内的电子设备供电,他们希望这些设备在5年左右的时间内,可以用于人体测试。

据研究人员称,他们还将更加仔细地分析动物的尺寸、天线的深度、方向和传输等因素,让能量传输变得更加高效。

参考资料


【1】http://news.mit.edu/2017/wireless-power-ingestible-electronics-0427

【2】http://news.mit.edu/2016/new-capsule-long-term-drug-delivery-malaria-1116

【3】http://news.mit.edu/2015/ingestible-sensor-measures-heart-breathing-rates-1118

【4】Abid A et al. “Wireless Power Transfer to Millimeter-Sized Gastrointestinal Electronics Validated in a Swine Model.” Scientific Reports DOI: 10.1038/srep46745



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