Forbedret trådløs ultralydsopladning til implanterbare biomedicinske enheder

Ultralydsbaseret trådløs strømoverførsel er ved at blive en mere attraktiv mulighed for at drive implanteret biomedicinsk udstyr, fordi det kan overvinde mange af de begrænsninger og udfordringer, som andre trådløse opladningstilgange står over for. Nu har en ny undersøgelse vist, at formen på den implanterede modtager kan øge effektiviteten af ​​strømudtagning fra ultralydsstrålen betydeligt.

Nuværende trådløse opladningsteknologier bruger enten elektromagnetiske eller radiobølger til at oplade batterierne i implanterede biomedicinske anordninger, såsom pacemakere og cochleære implantater. Men disse tilgange mister en betydelig mængde strøm, der rejser gennem væv, hvilket gør dem mindre effektive til dybere enheder. De er også forbundet med potentielle problemer, såsom vævsopvarmning og immuneffekter.

Ultralyd kan trænge dybere ind i væv uden at miste så meget energi eller forårsage store bivirkninger. I den nye undersøgelse ledede professor Jin Ho Chang fra Daegu Gyeongbuk Institut for Videnskab og Teknologi i Republikken Korea et team af forskere, der undersøgte, hvordan man kan forbedre ultralydsenergihøst ved at ændre størrelsen, formen og positionen af ​​den implanterede piezoelektriske modtager.

De fandt ud af, at placering af modtageren inden for fokusområdet af en fokuseret ultralydsstråle øgede effektiviteten af ​​energioverførslen betydeligt. Værket er publiceret i tidsskriftet Nano Energy .

Den piezoelektriske modtager genererede forskellige faser af elektriske signaler afhængigt af hvilken del af ultralydsstrålen den interagerede med. Den mest effektive energioverførsel fandt sted i strålens hovedlap. Med andre ord, større var ikke nødvendigvis bedre, selvom en større modtager ville interagere med mere af ultralydsstrålen.

Ud fra disse forhold blev der udviklet en aflangformet ultralydssender og -modtager. Denne sender danner en bred hovedsløjfe i brændpunktet, og modtageren matcher den transmitterede stråle udsender energi med høj effektivitet.

"Kombinationen af ​​en fokuseret stråle og en velafstemt modtager gør det muligt for aflangformet ultralydssender og -modtager at opnå væsentligt højere energiforsyning sammenlignet med konventionelle ultralydsbaserede trådløse strømoverførselssystemer," siger professor Chang.

Systemets effektivitet blev testet både under vand og gennem 50 mm svinevæv. Den aflange modtager var i stand til at oplade et batteri fuldt ud gennem vævet på 1,8 timer, hvilket er godt inden for rækkevidden, der kræves for kommercielle batterier.

"Vi mener, at disse resultater vil være et springbræt for et betydeligt fremskridt inden for ultralydsbaseret trådløs kraftoverførselsteknologi," siger Chang. "Dens innovative design og demonstrerede effektivitet rummer et enormt potentiale for at drive næste generation af dybe implanterbare biomedicinske anordninger."

Flere oplysninger: Sungwoo Kang et al., aflangformet piezoelektrisk ultralydsenergihøster til højtydende trådløs strømopladning, Nano Energy (2024). DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109618

Journaloplysninger: Nanoenergi

Leveret af Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)