據(jù)悉，麻省理工學(xué)院研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，可以無線地為可攝入的小型電子設(shè)備供電，吞咽后可以無限期地消化消化道，這樣的裝置可以用于感測(cè)胃腸道中的狀況，或攜帶要長(zhǎng)期運(yùn)送的小量藥物儲(chǔ)存器。
麻省理工學(xué)院Koch研究所綜合癌癥研究機(jī)構(gòu)和布里格姆婦女醫(yī)院的胃腸病學(xué)家兼生物醫(yī)學(xué)工程師Giovanni Traverso說，尋找安全高效的電源是開發(fā)這種可攝入電子設(shè)備的關(guān)鍵一步。
Traverso說：“如果我們建議系統(tǒng)長(zhǎng)期存在于身體，權(quán)力就變得至關(guān)重要。“高效的無線傳輸功率開辟了新的可能性，因?yàn)槲覀冮_始解決這個(gè)問題。“
4月27日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志的論文是基于從身體外的天線到消化道內(nèi)的另一個(gè)天線的無線傳輸。該方法產(chǎn)生足夠的能量來運(yùn)行可以監(jiān)測(cè)胃中特定營(yíng)養(yǎng)物或氣體的心率、溫度或水平的傳感器。
麻省理工學(xué)院前麻省理工學(xué)院研究生Abubakar Abid說：“現(xiàn)在我們無法在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)測(cè)量核心體溫或微量營(yíng)養(yǎng)素濃度，而這些設(shè)備可以開始做這樣的事情。”
無線傳輸
研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在不同類型的可攝入電子設(shè)備上工作了幾年，包括可以監(jiān)測(cè)生命體征的傳感器，以及可以在消化道中保持?jǐn)?shù)周或數(shù)月的藥物輸送車輛。為了為這些設(shè)備供電，該團(tuán)隊(duì)一直在探索各種選擇，包括由與胃酸的相互作用提供動(dòng)力的電池。
然而，使用這種類型的電池單元的一個(gè)缺點(diǎn)是隨著時(shí)間的推移，金屬電極停止工作。在他們最近的研究中，該團(tuán)隊(duì)想要提供一種方法來為他們的設(shè)備供電而不使用電極，使他們無限期地停留在胃腸道。
研究人員首先考慮了使用近場(chǎng)傳輸?shù)目赡苄?，即在兩個(gè)天線之間進(jìn)行距離非常小的無線能量傳輸。這種方法現(xiàn)在用于一些手機(jī)充電器，但由于天線必須非常靠近在一起，研究人員意識(shí)到，在所需的距離上傳輸功率將不會(huì)達(dá)到5-10厘米。
相反，他們決定開發(fā)中場(chǎng)傳輸，可以在更長(zhǎng)的距離內(nèi)傳輸電力。斯坦福大學(xué)的研究人員最近已經(jīng)開始利用這一策略為起搏器供電，但沒有人嘗試將其用于消化道的器械。
使用這種方法，研究人員能夠?qū)⒐β?00?200微瓦提供給他們的設(shè)備，這是不是足夠小的電子設(shè)備供電還很難說。每10秒無線傳輸溫度讀數(shù)的溫度傳感器將需要大約30微瓦，攝像機(jī)每秒需要10到20幀。
在進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，外部天線能夠在2至10厘米的距離范圍內(nèi)傳輸功率，研究人員發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移不會(huì)導(dǎo)致組織損傷。
“我們能夠有效地將身體外的發(fā)射器天線的功率發(fā)送到身體內(nèi)的天線，并以最小化輻射被組織本身吸收的方式進(jìn)行，”Abid說。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程副教授克里斯托弗·貝廷格(Christopher Bettinger)將這項(xiàng)研究描述為快速增長(zhǎng)的可攝入電子領(lǐng)域的“偉大進(jìn)步”。
“這是植入式設(shè)備的一個(gè)經(jīng)典問題：您如何為他們提供動(dòng)力?他們?cè)谑褂脽o線電力方面做得非常好，”Bettinger說，他沒有參與研究。
電池的替代品
對(duì)于這項(xiàng)研究，研究人員使用6.8毫米邊的方形天線。內(nèi)部天線必須足夠小，才能吞咽，但是外部天線可以更大，這樣可以產(chǎn)生更大量的能量。Traverso表示，外部電源可以用于連續(xù)供電內(nèi)部設(shè)備或?qū)ζ涑潆姟?/p>
他說：“建立替代電池和電源來確定胃腸道裝置的功能，這真的是一個(gè)概念驗(yàn)證。”
史密斯說：“這項(xiàng)工作結(jié)合亞閾值電子技術(shù)，低功耗片上系統(tǒng)以及新穎的封裝小型化技術(shù)的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)許多傳感，監(jiān)測(cè)甚至刺激或致動(dòng)應(yīng)用。”
研究人員正在繼續(xù)探索為胃腸道裝置供電的不同方法，希望他們的設(shè)備能在大約五年內(nèi)準(zhǔn)備進(jìn)行人體測(cè)試。
Traverso說：“我們正在開發(fā)一整套可以長(zhǎng)時(shí)間保持在胃里的其他設(shè)備，并且根據(jù)不同尺寸，我們希望保持多長(zhǎng)時(shí)間。” “我懷疑，根據(jù)不同的應(yīng)用，一些為其提供動(dòng)力的方法可能比其他方法更適合。”
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