Беспроводная передача энергии для имплантируемых медицинских устройств, восстанавливающих зрение

Дата:19.02.2023
Источник:Wireless power transfer for implantable medical devices that restore sight
Поделиться в Twitter Поделиться в F******k Поделиться в VKontakte Поделиться в Telegram

В мире насчитывается более 43 миллиона человек, полностью утративших зрение. За последние 30 лет это число увеличилось примерно на 50 процентов. Большинство незрячих людей рождаются с нормальным зрением и со временем теряют его из-за медицинских причин или несчастного случая.

Оптическая информация улавливается глазами и поступает в виде нейроэлектрических сигналов в зрительную кору головного мозга. Интерпретация этих сигналов — это то, что люди воспринимают как визуальные образы. Известно, что даже незрячие люди способны «видеть» некоторые зрительные образы, когда кора их головного мозга стимулируется электрическими сигналами. Даже после потери зрения человеком кора головного мозга продолжительное время сохраняет способность интерпретировать электрические сигналы, хотя глаза или нервные волокна, связывающие глаза и мозг, повреждены или их функциональность утрачена. Однако можно искусственно сформировать зрительные ощущения, передавая правильные электрические сигналы зрительной коре с помощью имплантируемых медицинских устройств.

Беспроводное соединение

В своих докторских исследованиях Ван Нунен сосредоточился на разработке беспроводного соединения между устройством ввода и имплантируемым устройством. Беспроводное соединение намного комфортнее, гибче и безопаснее для использующего его человека, но возникает вопрос: каковы беспроводные соединения в плане стабильности и передаваемой мощности?

В мире медицинских имплантируемых устройств миниатюризация является необходимым и непрерывным процессом, что позволяет сделать существующие устройство меньше одного кубического миллиметра, что не только исключает дискомфортные ощущения для носителя, но и снижает сложность хирургической операции по установке устройства в организме. Однако сверхмалые размеры устройства не позволяют разместить собственный источник питания, такой как батареи. Поэтому единственным способом передачи энергии, необходимой для работы устройства, является беспроводное соединение.

Предыдущие исследования показали, что в случае имплантируемого устройства размером в несколько миллиметров, размещённого в теле на глубине нескольких сантиметров, эффективность беспроводной передачи энергии оптимальна на гигагерцовых частотах . Этот режим работы называется midfield wireless power transfer (MF-WPT), при котором энергия передаётся с распространением радиоволн, а не благодаря индукции.

Моделирование оптимальной передачи мощности

Тем не менее, эффективность беспроводной передачи энергии для миниатюрных имплантируемых медицинских устройств остаётся довольно низкой. Используя альтернативный подход, Ван Нунен обнаружил, что для получения желаемых результатов лучшим способом является максимизация полученной мощности, а не максимизация эффективности. Чтобы определить лучшие частоты для передачи энергии, он использовал две аналитические модели для расчёта электромагнитных полей. В своей диссертации учёный описывает расширенные модели для расчета удельной скорости поглощения (SAR-скорости) электромагнитного излучения в организме человека, поглощаемой мощности и общей рассеиваемой мощности в ткани. Данные, рассчитанные с помощью этих моделей, могут быть использованы для определения максимальной мощности передачи с учётом предельных безопасных уровней SAR. Оказалось, что максимальная передаваемая мощность и максимальная эффективность передачи находятся на частоте 10 кГц, что намного ниже, чем предполагалось в предыдущих исследованиях.

Биомедицинские фантомы

Чтобы подтвердить свои выводы, учёный использовал так называемые биомедицинские фантомы, которые имитируют специфические свойства реальной человеческой ткани и обеспечивают постоянство и корректность диэлектрических показателей в течение длительного времени. Ван Нунен предлагает несколько вариантов таких фантомов, которые состоят из легкодоступных ингредиентов, таких как вода, сахар и соль, и могут быть приготовлены в простой кухонной обстановке. Более того, свойства фантомов, которые предлагает учёный, остаются почти постоянными в течение как минимум десяти дней, что делает их вполне подходящими для его экспериментов.

Самодельный датчик

Фантомы, которые разработал и описал Ван Нунен, являются однородными. Однако человеческое тело не однородно. В некоторых случаях необходимо добавить другие компоненты, чтобы лучше имитировать расположение имплантированного устройства в тканях человеческого организма. Например, черепная коробка и зубы могут влиять на то, как электромагнитные волны распространяются между внешним источником сигнала и имплантированным устройством. Один из подходов состоит в том , чтобы добавить искусственные кости к фантому. Искусственные кости можно создать, например, при помощи технологии 3D-печати. Используя недорогой самодельный датчик, Ван Нунен исследовал диэлектрические свойства нескольких коммерческих нитей для 3D-печати. Некоторые из проверенных материалов обладали диэлектрическими свойствами, близкими к свойствам кости для определенных частотных диапазонов, и поэтому подходили для биомедицинских экспериментов.


Метки


Распространение материалов сайта означает, что распространитель принял условия лицензионного соглашения.
Идея и реализация: © Владимир Довыденков и Анатолий Камынин,  2004-2023