Ηλεκτρονικά εμφυτεύματα: Μια νέα μέθοδος ασύρματης μεταφοράς ισχύος στο ανθρώπινο σώμα

Ο Antoni Ivorra, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας βιοϊατρικών ηλεκτρονικών (BERG) του Τμήματος Τεχνολογιών, Πληροφορικής και Επικοινωνίας (DTIC) της UPF, ξεκίνησε μαζί με τους συνεργάτες του μια μελέτη για τις Ηλεκτρονικές συσκευές AXONs (ασύρματοι μικροδιεγέρτες), με στόχο την ανάπτυξη λεπτών, ευέλικτων ενέσιμων ικροδιεγχειρητών για την αποκατάσταση της κίνησης σε περίπτωση παράλυσης.

Ένα εμπόδιο που έπρεπε να ξεπεράσει η ομάδα, για να φτάσει τον στόχο της, ήταν να καταφέρει να ελέγξει το πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί η αγωγιμότητα του όγκου, ώστε να μεταφέρεται ισχύς ασύρματα στα ηλεκτρονικά εμφυτεύματα. Διευκρινίζεται ότι η αγωγιμότητα του όγκου, είναι για την ερευνητική ομάδα, η εναλλακτική λύση για τις μπαταρίες και την ασύρματη μεταφορά ισχύος που βασίζεται στην επαγωγική σύζευξη, καθώς οι δύο τελευταίες μέθοδοι τροφοδοσίας, χρειάζονται σχετικά μεγάλα εμφυτεύματα που να χωρούν όλα τα συστατικά που απαιτούνται για να αποκτηθεί η ενέργεια που χρειάζεται για τη λειτουργία των εμφυτευμάτων.

Επίσης, μια από τις κύριες παραμέτρους, που λαμβάνουν γενικά υπόψη οι ερευνητές στην περίπτωση που μια τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να προμηθεύει ενέργεια τα εμφυτεύματα, είναι ο καθορισμός της μέγιστης ισχύς που μπορεί να λάβει ένα εμφύτευμα χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη μέθοδο. Έτσι, χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες εξισώσεις, οι ερευνητές κατάφεραν να προσδιορίσουν την μέγιστη ισχύ που θα μπορούσε να λάβει το εμφύτευμα μέσω της αγωγιμότητας του όγκου, σύμφωνα με τα πρότυπα ηλεκτρικής ασφάλειας.

Πώς επιτυγχάνεται η ασύρματη μεταφορά ισχύος (WPT);

Η μέθοδος ασύρματης μεταφοράς ενέργειας μέσω της αγωγιμότητας του όγκου, προνοεί την χρήση των ιστών του σώματος ως κανάλι μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιώντας, λοιπόν, ένα εξωτερικό σύστημα, τα ηλεκτρικά ρεύματα διανέμονται μέσω του ανθρώπινου σώματος και ακολούθως αυτά τα ρεύματα ρέουν μέσω των ιστών και μια μικρή ποσότητα αντλείται από τα εμφυτεύματα, εξασφαλίζοντας την απαραίτητη ενέργεια που χρειάζονται για να λειτουργήσουν.

Η καινοτόμος πτυχή της προσέγγισης αυτής είναι η μορφή των εμφυτευμάτων που μοιάζει με νήμα, η οποία τους επιτρέπει να εμφυτευθούν χωρίς χειρουργική επέμβαση, χρησιμοποιώντας ρεύματα υψηλής συχνότητας (> 5 MHz) που εφαρμόζονται σε ριπές, καθιστώντας τα εντελώς ακίνδυνα.

Συγκεκριμένα, οι συγγραφείς της μελέτης πρότειναν την εφαρμογή ρευμάτων που θα ανέρχονταν μόλις σε μερικά αμπέρ, για τα οποία το εξωτερικό σύστημα έπρεπε να παράγει εντάσεις μερικών εκατοντάδων βολτ. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτά τα μεγέθη θα ήταν πιο επιβλαβή αν αντιστοιχούσαν σε εναλλασσόμενα ρεύματα μιας συχνότητας, όπως αυτή του δικτύου 50 Hz. Η συγκεκριμένη όμως μέθοδος, αποφεύγει εντελώς τη χρήση υψηλότερων συχνοτήτων και συγκεκριμένα προτείνει την χρήση εναλλασσόμενων ρευμάτων με συχνότητα μεγαλύτερη των 5 MHz. Οι συντάκτες της μελέτης για να καταλήξουν σε αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποίησαν μαθηματικά μοντέλα και κατάφεραν να προσδιορίσουν τη μέγιστη τοπική ισχύ που μπορεί να σταλεί σε ένα εμφύτευμα, χρησιμοποιώντας αγωγιμότητα όγκου ανάλογα με το μέγεθος του εμφυτεύματος, το ηλεκτρονικό του φορτίο και τις ιδιότητες του ιστού που προοριζόταν να χρησιμοποιηθεί. Τα μοντέλα αυτά επικυρώθηκαν in vitro (μέσω διαδικασιών και αντιδράσεων), σε αλατούχο διάλυμα το οποίο προσομοιώνει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του ανθρώπινου ιστού, δείχνοντας ότι υπήρχε καλή συσχέτιση μεταξύ πειραματικών και αναλυτικών αποτελεσμάτων.

Τι δείχνουν τα αποτελέσματα της μελέτης;

Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η εφαρμογή ηλεκτρικών ρευμάτων υψηλών συχνοτήτων σε ριπές μπορούν να δώσουν ισχύ μεγαλύτερη από 1 mW σε πολύ λεπτά τμήματα (τομή μικρότερη από 1 mm) και σε μικρά (<15 mm) εμφυτεύματα. Σημειώνεται, ότι αυτές οι συσκευές μπορούν εύκολα να εμφυτευθούν στο ανθρώπινο σώμα, χρησιμοποιώντας μια διαδερμική διαδικασία παρόμοια με την απλή ένεση.

Επιπρόσθετα, διαπιστώθηκε ότι η εφαρμογή ηλεκτρικών ρευμάτων υψηλής συχνότητας σε μορφή ριπών, επιτρέπει τη μεγιστοποίηση της ισχύος που επιτυγχάνεται στα εμφυτεύματα. Ένας εκ των συγγραφέων της μελέτης μάλιστα, σημείωσε χαρακτηριστικά ότι ένα εμφύτευμα ενός χιλιοστού με μήκος περίπου ενός εκατοστού, θα μπορούσε να αποκτήσει 100 φορές την ισχύ που απαιτεί σήμερα ένας βηματοδότης για να λειτουργήσει.