wersja mobilna
Online: 386 Sobota, 2016.12.03

Technika

Zasilanie energią wolnodostępną zrewolucjonizuje elektronikę medyczną

czwartek, 13 sierpnia 2015 10:03

Doskonałym sposobem zasilania medycznych czujników i urządzeń ultraniskiej mocy okazało się wychwytywanie energii z różnych źródeł wolnodostępnych (energy harvesting). Zapewnia to ogromne możliwości rozwoju i stosowania do elektronicznych implantów medycznych, uwalniając je od konieczności zasilania bateryjnego.

Rys. 1. W tradycyjnym implancie rozrusznika serca bateria zajmuje znaczną objętość

Ogromne postępy ultraminiaturowej elektroniki ekstremalnie małej mocy, w tym również układów wielkiej częstotliwości oraz czujników bezprzewodowych, wywołały zapotrzebowanie na zasilanie implantów medycznych energią wolnodostępną. Gdy baterie mogą zostać wyeliminowane lub ich żywotność w układach zostaje znacznie przedłużona, implanty stają się mniejsze, wygodniejsze w użyciu, bardziej niezawodne i dają się długo użytkować.

Powstają już rozruszniki serca, zasilane piezoelektrycznie wychwytywaną energią bijącego serca. Dzięki eliminacji baterii unika się konieczności jej periodycznej wymiany i znacznie redukuje rozmiary samego rozrusznika (rys. 1). Zmniejszenie jego objętości poniżej 1 cm³ umożliwi umieszczenie go bezpośrednio na nasierdziu.

Rozważa się użycie piezoelektrycznej albo elektretowej techniki konwersji energii mechanicznej w elektryczną. Układ taki byłby w przybliżeniu dwukrotnie mniejszy od baterii używanych w rozrusznikach (rys. 2). Testy wykazały, że może on generować około 10 mW, ośmio- do dziesięciokrotnie więcej niż nowoczesne rozruszniki potrzebują.

Bateria biologiczna

Od kilku lat dostępne są doślimakowe implanty słuchowe, uważane za skuteczniejsze od tradycyjnych pomocy słuchowych. Składają się one z dwóch części, wewnętrznej i zewnętrznej, z mikrofonem, przetwornikiem dźwięku i baterią. Bateria jest elementem ograniczającym jego użyteczność, zwłaszcza przy większej mocy obliczeniowej i silniejszym procesorze.

Trwają badania nad bardziej zintegrowanymi układami. Prace na Uniwersytecie Utah wykazały możliwość implantowania mikrofonu w uchu wewnętrznym, co częściowo eliminuje potrzebę instalowania części zewnętrznej aparatu. Jednak akumulatorek nadal wymaga nocnego ładowania za pomocą umieszczonej za uchem ładowarki.

Prowadzone są też badania nad konwersją energii chemicznej w elektryczną w uchu wewnętrznym w celu zasilania implantów doślimakowych. Zespół badawczy w Massachusetts Institute of Technology (MIT) pracuje nad wykorzystaniem w uchu wewnętrznym mieszczącej się w ślimaku baterii biologicznej.

Jednakże poziom jej napięcia na razie jest za niski nawet do zasilania współczesnych obwodów ultraniskiej mocy. Wymaga ona jeszcze dalszej pracy nad magazynowaniem generowanego ładunku i nad obwodami przetwarzania, ale gdy stanie się użyteczna, układ będzie zupełnie samowystarczalny.

Słodycze

Rys. 2. Piezoelektryczny układ wychwytywania energii jest około dwukrotnie mniejszy od baterii używanych w tradycyjnych implantach z rozrusznikiem serca. Na zdjęciach pokazano przykładowe rozwiązania

W MIT jest również opracowywane glukozowe ogniwo paliwowe do zasilania implantów nerwowych. Działanie takiego ogniwa polega na zbieraniu elektronów z molekuł glukozy, z których powstaje prąd elektryczny o słabym natężeniu.

Ogniwo to może być formowane na krzemowym chipie, wraz z obwodem ultraniskiej mocy, tworząc samozasilane urządzenia implantów mózgowych. Implanty te są tworzone z myślą o ludziach z uszkodzeniami rdzenia kręgowego lub z różnymi porażeniami.

Dzięki postępom w neuroterapii powstają implanty wpływające na system nerwowy, obniżając ból i wspomagające eliminowanie drżeń u cierpiących na chorobę Parkinsona.

Pigułki

Doustne połykane układy elektroniczne, zarówno zasilane wychwytywaną energią, jak i maleńkimi bateriami półprzewodnikowymi, mogą służyć do różnych zadań. "PillCam" (kamera w pigułce), rozmiarów większej kapsułki witaminowej, jest używana w roli endoskopu wizualizującego system trawienia, wykrywającego w miarę przesuwania się wzdłuż przewodu pokarmowego wszelkie w nim zmiany.

PillCam pozwala badanemu uniknąć uciążliwości standardowych testów endoskopowych. Doustnie aplikowane układy elektroniczne stosuje się również do sterowanego podawania leków przeciwko niektórym rodzajom nowotworów. Są podatne na kierowanie w dokładnie określone miejsca, bardzo skutecznie dzięki temu ograniczając wielkość dawki leku i obniżając ryzyko uszkodzenia sąsiednich tkanek.

Podskórne

Rys. 3. Doustne kapsułki endoskopowe PillCam

Ciepło generowane przez żywy organizm może być także wykorzystywane do wychwytywania energii. Istnieje wielkie zapotrzebowanie na generowanie energii wewnątrz implantów medycznych. Chipy z termoelektrycznymi generatorami energii (TEG) mogłyby być umieszczane pod skórą lub w czaszce i wykorzystywać minimalną różnicę temperatury pomiędzy mózgiem a powierzchnią skóry.

Do zasilania implantów może być również wykorzystywana technika wielkich częstotliwości. Radiowe sygnały elektromagnetyczne, kierowane do małej cewki w implancie, mogą być źródłem wystarczającej do jego zasilania energii. Współcześnie prowadzone badania prowadzą do tworzenia mikrominiaturowych urządzeń, wstrzykiwanych do krwiobiegu, bezprzewodowo przemieszczanych następnie za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego do wymaganej lokalizacji w celu uruchomienia do specyficznych zadań.

Zasilanie piezoelektryczne

Measurement Specialties jest znaną firmą, dostarczającą na medyczny rynek foliowe czujniki piezoelektryczne o różnym zastosowaniu. Przykładowy piezoelektryczny przetwornik foliowy LDT-028K jest wielozadaniowym urządzeniem z czujnikiem drgań. Element filmu piezo dostarcza użytecznego sygnału elektrycznego pod wpływem sił wywieranych na powierzchnię czujnika.

Czujnik jest dwuprzewodowo połączony z układem lub monitorem, umożliwiającym przetwarzanie sygnału. Odpowiedni kit ewaluacyjny służy do demonstracji działania urządzenia, również z innymi czujnikami Measurement Specialties i do eksperymentowania z aplikacjami zarówno medycznymi, jak i niemedycznymi.

Biokompatybilne baterie

Rys. 4. Struktura wewnętrzna kapsułki endoskopowej

W niektórych aplikacjach oprócz techniki wychwytywania energii koniecznie jest też użycie mikroakumulatorów. Półprzewodnikowy akumulatorek firmy Cymbet Corporation o nazwie EnerChip jest produkowany w procesie półprzewodnikowym na płytce krzemowej. Umożliwia to jej zintegrowanie i opakowanie tego źródła wraz ze zwykłymi obwodami półprzewodnikowymi. Akumulatory tej firmy są prawie stukrotnie mniejsze od nieładowalnych ogniw pastylkowych, a ich ładunek zapewnia trzykrotnie dłuższy czas działania.

Dostępne są również akumulatorowe układy stukrotnie mniejsze od baterii pastylkowej, z kontrolą ładowania i zasilania lub bez nich. Na przykład CB050- M8C dostarcza 50 mAh przy 3,8 V i jest doskonałym źródłem zasilania dla układów bardzo małej mocy z inteligentnymi czujnikami. Może być ładowany tysiące razy i może współpracować z układami wychwytywania energii.

Zakończenie

Używane w implantach medycznych techniki wychwytywania energii staja się sprawniejsze, pozwalając stosować implanty dłużej działające, bardziej uniwersalne i bezbateryjne. Energia jest uzyskiwana z ludzkiego organizmu piezoelektrycznie (wibracje), chemicznie i termicznie.

KKP