Zasilanie energią wolnodostępną zrewolucjonizuje elektronikę medyczną
| TechnikaDoskonałym 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.
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
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
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
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