新型無線系統(tǒng)：為體內(nèi)微型醫(yī)療設(shè)備供電并與之通信！

　　背景

　　傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備，一般都是笨重而且昂貴的，需要放置在醫(yī)院實驗室中，只有專門技術(shù)人員才能操作。然而，隨著半導(dǎo)體、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、新材料等技術(shù)不斷發(fā)展，創(chuàng)新型醫(yī)療設(shè)備不斷出現(xiàn)，并呈現(xiàn)出便攜、輕量、靈巧、小型、生物相容、生態(tài)友好等新特點。

　　其中，可植入和可攝取的醫(yī)療設(shè)備能在人體內(nèi)運行，為疾病的診斷、監(jiān)測、治療帶來了新方法，例如它們可用于給藥、監(jiān)測生命體征、檢測胃腸道運動、通過電刺激或光刺激治療腦部疾病等等。

　　然而，可植入和可攝取的醫(yī)療設(shè)備往往都需要在人體內(nèi)長時間駐留和運作，因此持續(xù)、安全、穩(wěn)定的能量供應(yīng)對于它們來說顯得非常重要。

　　拿心臟起搏器來說，它采用的是傳統(tǒng)電池，所以其電量終有耗盡的時候，一般大約5到10年就需要更換一次電池。但是，更換體內(nèi)的電池并不容易，需要再進行一次手術(shù)，對于患者來說這又將是一次的痛苦體驗，甚至?xí)黾痈腥镜娘L(fēng)險。此外，電池也可能會含有有毒物質(zhì)，萬一發(fā)生泄漏，會影響患者身體健康。還有，電池的存在無疑會占據(jù)一定空間，增加醫(yī)療電子設(shè)備的尺寸，影響它們的設(shè)計和性能。

　　針對上述問題，科學(xué)家們開展了許多研究。讓我們先來回顧一下采用新型電池供電的兩個案例：

　　1)瑞士伯爾尼大學(xué)醫(yī)院和伯爾尼大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)采用位于皮膚下的小型太陽能電池，從冬季到夏季，都可以為心臟起搏器供給足夠的能量。

　　2)美國麻省理工學(xué)院和布列根和婦女醫(yī)院的研究人員設(shè)計出一種由胃酸提供能量的微型伏打電池，它能產(chǎn)生足夠多的能量為小型傳感器或給藥設(shè)備供電，使其在胃腸道駐留更長時間。

　　(圖片來源于：麻省理工學(xué)院)

　　然而，我們不禁還會想，既然用電池為體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備供電有這么多缺點，那么有徹底擺脫電池的供電方案嗎?答案是：有。下面，讓我們再來看幾個經(jīng)典的研究案例：

　　1)美國麻省理工學(xué)院、布列根和婦女醫(yī)院、查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室的科研人員通過無線能量傳輸?shù)姆绞?，為消化道?nèi)的可攝取的醫(yī)療電子設(shè)備供電。

　　(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

　　2)美國加州大學(xué)洛杉磯分校和康涅狄格大學(xué)的科研人員合作開發(fā)一種新型系統(tǒng)，它可以為心臟起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備供電。該系統(tǒng)主要由兩部分組成：能量存儲(生物超級電容)和能量采集(采集人體熱量和運動能量的設(shè)備)。

　　(圖片來源：Islam Mosa/康涅狄格大學(xué) 、Maher El-Kady/加州大學(xué)洛杉磯分校)

　　3)美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們開發(fā)出一種由超聲波供電的微型機器人，它可以在血液中游動，去除有害的細菌及其產(chǎn)生的毒素。

　　(圖片來源：Esteban-Fernández de Ávila/Science Robotics)

　　創(chuàng)新

　　在眾多無需電池的供電方案中，今天讓我們重點關(guān)注一下用過體外天線發(fā)射無線電波的供電方式。然而，這種方式的主要障礙在于：無線電波通過人體時會顯著衰減，以至于弱到無法提供足夠的電力。

　　為了克服這一障礙，近日美國麻省理工學(xué)院(MIT)、哈佛醫(yī)學(xué)院(HMS)、布列根和婦女醫(yī)院(BWH)的科學(xué)家們開發(fā)出一種為人體深處的植入式醫(yī)療設(shè)備供電并與之通信的新系統(tǒng)，他們稱之為“體內(nèi)聯(lián)網(wǎng)”(IVN)系統(tǒng)。

　　(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

　　相關(guān)論文將在美國計算機協(xié)會數(shù)據(jù)通信專業(yè)組(SIGCOMM)8月份召開的年度旗艦會議上發(fā)表。論文作者包括：MIT 媒體實驗室助理教授 Fadel Adib、布列根和婦女醫(yī)院和哈佛醫(yī)學(xué)院的助理教授以及MIT科赫綜合癌癥研究所 (Koch Institute for Integrative Cancer Research)研究員 Giovanni Traverso、MIT媒體實驗室博士后 Yunfei Ma、MIT 媒體實驗室研究生 Zhihong Luo、MIT 科赫綜合癌癥研究所的博士后研究員 Christoph Steiger。

　　技術(shù)

　　這些無線電波可以安全地穿過人體組織，為植入式醫(yī)療設(shè)備供電。在針對豬的測試中，這種無線電波可以在1米以外的距離，為組織中10厘米深處的設(shè)備供電。如果傳感器非常接近皮膚表面，那么在38米以外的地方就可以為它們供電。

　　(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

　　因為無需電池，所以這些設(shè)備可以做得非常小。在這項研究中，研究人員測試了一粒米大小的原型設(shè)備，但是他們預(yù)計設(shè)備還可以做得更小。

　　“體內(nèi)聯(lián)網(wǎng)”(IVN)的系統(tǒng)是一種含有多個天線的設(shè)計，這些天線會發(fā)出頻率稍有差異的無線電波。在無線電波傳輸?shù)倪^程中，它們以不同的方式相互疊加并結(jié)合。在某些時候，這些波的頂點相互重疊，從而可以提供足夠多的能量為植入式傳感器供電。

　　(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

　　(圖片來源：麻省理工學(xué)院)

　　Adib 表示：“我們選擇相互之間稍有差異的頻率，這樣一來，我們知道在某些時間點，它們將同時達到頂點。當同時達到它們的頂點時，它們能夠超過為這些設(shè)備供電所需的能量閾值。”

　　這項技術(shù)利用復(fù)雜的信號生成技術(shù)，使得信號可以在傳感器中建設(shè)性地相互結(jié)合，激發(fā)這些傳感器，為它們供電并與之通信。有了新系統(tǒng)，研究人員不用知道傳感器在身體中的確切位置，因為能量可以大范圍地傳播。這也意味著，它們可以一次為多個設(shè)備供電。在傳感器接收能量脈沖的同時，它們也會接收到一個告訴它們將信息發(fā)回天線的信號。研究人員稱，這個信號也可以用于刺激釋放藥物、電流脈沖、光脈沖。

　　價值

　　IVN 技術(shù)的應(yīng)用包括：放置在智能藥丸中控制給藥，治療瘧疾或阿爾茨海默病;測量器官和組織的健康狀況，例如壓力、葡萄糖、腸道微生物群，并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送出來;集成到腦深部刺激器中，治療帕金森病或癲癇。

　　(圖片來源：麻省理工學(xué)院媒體實驗室)

　　(圖片來源：Fadel Adib, Diana Saville)

　　(圖片來源：Fadel Adib, Diana Saville)

　　目前，科研團隊正在研究讓電力傳輸變得更加高效且距離更遠。研究人員稱，這項技術(shù)也有望改善其他領(lǐng)域中的RFID應(yīng)用，這些領(lǐng)域包括：庫存控制、零售分析、智能環(huán)境。未來，它將帶來更遠距離的追蹤與通信。