Новая технология может обеспечить дистанционное управление доставкой лекарств, датчиками и другими медицинскими приложениями.
Новая технология может обеспечить дистанционное управление доставкой лекарств, датчиками и другими медицинскими приложениями
Энн Трафтон | Офис новостей Массачусетского технологического института
4 июня 2018 г.
Исследователи Массачусетского технологического института совместно с учеными из Brigham and Women’s Hospital разработали новый способ питания и связи с устройствами, имплантированными глубоко в человеческое тело. Такие устройства можно было бы использовать для доставки лекарств, мониторинга состояния внутри тела или лечения болезней путем стимуляции мозга электричеством или светом.
Имплантаты питаются от радиочастотных волн, которые могут безопасно проходить через ткани человека. В ходе испытаний на животных исследователи показали, что волны могут питать устройства, расположенные в тканях на глубине 10 сантиметров, с расстояния 1 метр.
«Несмотря на то, что в этих крошечных имплантируемых устройствах нет батарей, теперь мы можем общаться с ними на расстоянии вне тела. Это открывает совершенно новые типы медицинских приложений», - говорит Фадель Адиб, доцент Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института и старший автор статьи, которая будет представлена на конференции Специальной группы по передаче данных Ассоциации вычислительной техники (SIGCOMM). в августе.
Поскольку им не требуется батарея, устройства могут быть крошечными. В этом исследовании исследователи протестировали прототип размером с рисовое зерно, но они ожидают, что его можно будет сделать еще меньше.
«Возможность связи с этими системами без использования батареи была бы значительным достижением. Эти устройства могут быть совместимы с условиями обнаружения, а также помогать в доставке лекарств», - говорит Джованни Траверсо, доцент Brigham and Women’s Hospital (BWH) Гарвардской медицинской школы, исследовательского филиала Института интегративного рака им. Коха при Массачусетском технологическом институте. Исследование и автор статьи.
Другими авторами статьи являются постдоктор Медиа-лаборатории Юнфей Ма, аспирант Медиа-лаборатории Чжихонг Луо, а также постдок Института Коха и филиала BWH Кристоф Штайгер.
Беспроводная связь
Медицинские устройства, которые можно проглотить или имплантировать в организм, могут предложить врачам новые способы диагностики, мониторинга и лечения многих заболеваний. Лаборатория Траверсо в настоящее время работает над различными пероральными системами, которые можно использовать для доставки лекарств, мониторинга показателей жизнедеятельности и обнаружения движения желудочно-кишечного тракта.
В мозг имплантируемые электроды, подающие электрический ток, используются для метода, известного как глубокая стимуляция мозга, который часто используется для лечения болезни Паркинсона или эпилепсии. Эти электроды теперь контролируются устройством, похожим на кардиостимулятор, имплантированным под кожу, которое можно было бы исключить, если бы использовалось беспроводное питание. Беспроводные мозговые имплантаты также могут помочь доставлять свет для стимуляции или подавления активности нейронов с помощью оптогенетики, которая до сих пор не была адаптирована для использования на людях, но может быть полезна для лечения многих неврологических расстройств..
В настоящее время имплантируемые медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы, снабжены собственными батареями, которые занимают большую часть места на устройстве и имеют ограниченный срок службы. Адиб, предполагающий гораздо меньшие по размеру безбатарейные устройства, изучает возможность беспроводного питания имплантируемых устройств радиоволнами, излучаемыми антеннами вне тела.
До сих пор этого было трудно достичь, потому что радиоволны имеют тенденцию рассеиваться при прохождении через тело, поэтому они оказываются слишком слабыми, чтобы обеспечить достаточную мощность. Чтобы преодолеть это, исследователи разработали систему, которую они назвали «In Vivo Networking» (IVN). Эта система основана на массиве антенн, которые излучают радиоволны немного разных частот. По мере распространения радиоволны они перекрываются и комбинируются по-разному. В определенных точках, где верхние точки волн перекрываются, они могут обеспечить достаточно энергии для питания имплантированного датчика.
«Мы выбрали частоты, которые немного отличаются друг от друга, и при этом мы знаем, что в какой-то момент времени они достигнут своих максимумов одновременно. Когда они достигают своих максимумов одновременно, они способны преодолеть энергетический порог, необходимый для питания устройства», - говорит Адиб.
С новой системой исследователям не нужно знать точное расположение датчиков в теле, так как мощность передается на большую площадь. Это также означает, что они могут питать несколько устройств одновременно. В то же время, когда датчики получают всплеск мощности, они также получают сигнал, сообщающий им о необходимости передать информацию обратно на антенну. Исследователи говорят, что этот сигнал также можно использовать для стимуляции высвобождения лекарства, электрического разряда или светового импульса.
Мощность на большие расстояния
В тестах на свиньях исследователи показали, что они могут посылать энергию на расстоянии до метра от тела к датчику, который находится в теле на глубине 10 сантиметров. Если датчики расположены очень близко к поверхности кожи, они могут получать питание на расстоянии до 38 метров.
«В настоящее время существует компромисс между тем, насколько глубоко вы можете зайти, и как далеко вы можете выйти за пределы тела», - говорит Адиб.
В настоящее время исследователи работают над повышением эффективности подачи энергии и ее передачей на большие расстояния. Исследователи говорят, что эта технология также может улучшить приложения RFID в других областях, таких как управление запасами, аналитика розничной торговли и «умные» среды, позволяющие отслеживать объекты и общаться на больших расстояниях.
Исследование финансировалось консорциумом Media Lab и Национальным институтом здравоохранения.
Перепечатано с разрешения MIT News