Trådløst system kan drive enheder inde i kroppen

MIT forskere, arbejder med forskere fra Brigham and Women's Hospital, har udviklet en ny måde at drive og kommunikere med enheder implanteret dybt inde i den menneskelige krop. Sådanne enheder kan bruges til at levere medicin, overvåge forholdene inde i kroppen, eller behandle sygdom ved at stimulere hjernen med elektricitet eller lys.

Implantaterne drives af radiofrekvensbølger, som sikkert kan passere gennem menneskeligt væv. I forsøg med dyr, forskerne viste, at bølgerne kan drive enheder placeret 10 centimeter dybt i væv, fra en afstand af 1 meter.

"Selvom disse små implanterbare enheder ikke har nogen batterier, vi kan nu kommunikere med dem på afstand uden for kroppen. Dette åbner op for helt nye typer medicinske applikationer, " siger Fadel Adib, en assisterende professor i MIT's Media Lab og en senior forfatter af papiret, som vil blive præsenteret på Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) konference i august.

Fordi de ikke kræver et batteri, enhederne kan være små. I dette studie, forskerne testede en prototype på størrelse med et riskorn, men de regner med, at den kunne gøres endnu mindre.

"At have kapaciteten til at kommunikere med disse systemer uden behov for et batteri ville være et betydeligt fremskridt. Disse enheder kunne være kompatible med sansningsforhold samt hjælpe med leveringen af ​​et lægemiddel, " siger Giovanni Traverso, en assisterende professor ved Brigham and Women's Hospital (BWH), Harvard Medical School, en forskningspartner ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, og en forfatter til avisen.

Andre forfattere af papiret er Media Lab postdoc Yunfei Ma, Media Lab kandidatstuderende Zhihong Luo, og Koch Institute og BWH affiliate postdoc Christoph Steiger.

Trådløs kommunikation

Medicinsk udstyr, der kan indtages eller implanteres i kroppen, kan tilbyde læger nye måder at diagnosticere, overvåge, og behandle mange sygdomme. Traversos laboratorium arbejder nu på en række forskellige indtagelige systemer, der kan bruges til at levere medicin, overvåge vitale tegn, og registrere bevægelse af GI-kanalen.

I hjernen, implanterbare elektroder, der leverer en elektrisk strøm, bruges til en teknik kendt som dyb hjernestimulering, som ofte bruges til at behandle Parkinsons sygdom eller epilepsi. Disse elektroder styres nu af en pacemaker-lignende enhed implanteret under huden, som kunne elimineres, hvis der bruges trådløs strøm. Trådløse hjerneimplantater kan også hjælpe med at levere lys til at stimulere eller hæmme neuronaktivitet gennem optogenetik, som hidtil ikke er blevet tilpasset til brug hos mennesker, men kunne være nyttig til behandling af mange neurologiske lidelser.

I øjeblikket, implanterbart medicinsk udstyr, såsom pacemakere, bære deres egne batterier, som optager det meste af pladsen på enheden og tilbyder en begrænset levetid. Adib, der forestiller sig meget mindre, batterifrie enheder, har undersøgt muligheden for trådløst at forsyne implanterbare enheder med radiobølger udsendt af antenner uden for kroppen.

Indtil nu, dette har været svært at opnå, fordi radiobølger har tendens til at spredes, når de passerer gennem kroppen, så de ender med at være for svage til at levere nok strøm. For at overvinde det, forskerne udtænkte et system, som de kalder "In Vivo Networking" (IVN). Dette system er afhængigt af en række antenner, der udsender radiobølger med lidt forskellige frekvenser. Når radiobølgerne rejser sig, de overlapper og kombinerer på forskellige måder. På visse punkter, hvor bølgernes højdepunkter overlapper hinanden, de kan levere nok energi til at drive en implanteret sensor.

"Vi valgte frekvenser, der er lidt forskellige fra hinanden, og ved at gøre det, vi ved, at disse på et tidspunkt vil nå deres højdepunkter på samme tid. Når de når deres højder på samme tid, de er i stand til at overvinde den energitærskel, der er nødvendig for at drive enheden, " siger Adib.

Med det nye system, forskerne behøver ikke at kende den nøjagtige placering af sensorerne i kroppen, da strømmen overføres over et stort område. Dette betyder også, at de kan drive flere enheder på én gang. Samtidig med at sensorerne modtager et strømudbrud, de modtager også et signal, der fortæller dem, at de skal videresende information tilbage til antennen. Dette signal kan også bruges til at stimulere frigivelsen af ​​et lægemiddel, et udbrud af elektricitet, eller en lyspuls, siger forskerne.

Langdistancekraft

I forsøg med svin, forskerne viste, at de kunne sende strøm fra op til en meter uden for kroppen, til en sensor, der var 10 centimeter dybt i kroppen. Hvis sensorerne er placeret meget tæt på hudens overflade, de kan drives fra op til 38 meters afstand.

"Der er i øjeblikket en afvejning mellem, hvor dybt du kan gå, og hvor langt du kan gå uden for kroppen, " siger Adib.

Forskerne arbejder nu på at gøre strømforsyningen mere effektiv og overføre den over større afstande. Denne teknologi har også potentiale til at forbedre RFID-applikationer på andre områder såsom lagerstyring, detailanalyse, og "smarte" miljøer, giver mulighed for objektsporing og kommunikation over længere afstande, siger forskerne.