植入醫(yī)療器械無線充電技術(shù)問世

北京時(shí)間5月21日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，一名美國(guó)斯坦福大學(xué)的電子工程師日前開發(fā)出一種方法，可以以無線方式向人體內(nèi)傳輸電力，從而驅(qū)動(dòng)植入人體內(nèi)的各種微型醫(yī)療器件，如心臟起搏器，神經(jīng)刺激器，或是未來可能出現(xiàn)的其他類型的醫(yī)療器械。

這項(xiàng)成果發(fā)表在近日出版的《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上。這是阿達(dá)·樸恩(Ada Poon)多年努力的結(jié)晶，他本人是一位電子工程學(xué)的助理教授。他的這項(xiàng)成果將有助于將那些復(fù)雜龐大的電池以及充電系統(tǒng)從植入型醫(yī)療器件中去除。

這項(xiàng)技術(shù)或?qū)㈤_辟一條通往一種新型醫(yī)學(xué)的道路，在這種新型醫(yī)學(xué)中，醫(yī)生們將更加依賴各種微型器械來治療疾病，而不是傳統(tǒng)的藥物。

樸恩表示：“我們需要將這些器械設(shè)計(jì)地越小越好，這樣才能便于更深地植入人體，從而創(chuàng)造一種全新的治療疾病或是緩和病痛的方式?！?/p>

在他們發(fā)表的論文中，樸恩的研究組詳細(xì)論述了他們研制的一種比米粒還要小的心臟起搏器。它可以通過無線方式實(shí)現(xiàn)充電，方法是拿起一張跟信用卡差不多大小的充電裝置貼在自己胸口上，這樣就能夠?yàn)橹踩朐隗w內(nèi)的起搏器充電。

這是一項(xiàng)工程學(xué)的突破性成就——僅僅需要大致與一臺(tái)智能手機(jī)所需相同的電量，你就可以實(shí)現(xiàn)為深深植入體內(nèi)的電子器件安全地進(jìn)行無線充電。樸恩在其論文中還提到，一家獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室對(duì)他們的設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的輻射量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人體健康限值。

樸恩的實(shí)驗(yàn)室在一頭豬的身上測(cè)試了其無線充電能力，并用一只兔子測(cè)試了其為心臟起搏器充電的功能。目前研究人員正在準(zhǔn)備開戰(zhàn)人體測(cè)試。即便接下來的人體測(cè)試順利得到批準(zhǔn)并且一切進(jìn)展順利，那么它也還將需要數(shù)年的時(shí)間才能滿足進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用階段前所要求的安全性和可靠性要求。

樸恩相信這項(xiàng)成果最終將會(huì)催生出新一代的可編程微型植入醫(yī)療器械——如可以監(jiān)測(cè)關(guān)鍵性生理信號(hào)的的感受器;向大腦發(fā)送神經(jīng)信號(hào)的電子激發(fā)器，以及可以直接將藥物送至患病處的體內(nèi)藥物遞送系統(tǒng)。

威廉·紐森(William Newsome)是美國(guó)斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所主管，他表示樸恩的工作開創(chuàng)了可能性，即開發(fā)出某些“電子藥物”，用于替代傳統(tǒng)的藥品用于疾病治療。

紐森本人并未參與樸恩的研究組，但對(duì)她的工作相當(dāng)熟悉。他表示這種治療方案將會(huì)比傳統(tǒng)藥物更加有效，因?yàn)殡娮铀幬锓椒▽?huì)直接將特殊的微型器械植入到大腦的特定區(qū)域并發(fā)揮作用，而傳統(tǒng)藥物則會(huì)對(duì)整個(gè)大腦產(chǎn)生作用。

紐森表示：“要想讓電子藥物實(shí)用化，這些植入器械必須進(jìn)一步小型化，并且必須實(shí)現(xiàn)無線充電，它們可以被深深地植入大腦，距離大腦表層好幾厘米?！倍鴺愣鞯难芯拷M解決了安全地進(jìn)行無線充電的問題，讓我們?cè)谶@條道路上邁出了一大步。

如何運(yùn)作?

在他們的論文中還介紹了這一成果的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，這是一個(gè)跨學(xué)科的研究組，其中包括樸恩實(shí)驗(yàn)室的電子工程學(xué)研究生John Ho以及Alexander Yeh，還有訪問學(xué)者Yuji Tanabe，以及斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)中心心胸外科助理教授Ramin Beygui。

這項(xiàng)成果的核心就在于研究組運(yùn)用了一種新的手段來控制電磁波在人體內(nèi)的傳輸。

電磁波遍布宇宙。我們每天都要接觸它們，比如我們的廣播電視信號(hào)，微波爐，現(xiàn)在甚至還有使用無線充電的電動(dòng)牙刷。

在樸恩的發(fā)明問世之前，我們?nèi)粘＝佑|的電磁波可以被大致分為兩大類，即所謂的遠(yuǎn)場(chǎng)以及近場(chǎng)電磁波。

遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波，如廣播塔發(fā)出的信號(hào)，可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳播。但當(dāng)它們?cè)谠庥錾锝M織時(shí)要么會(huì)被直接反射掉，或者就被生物體的皮膚以熱的形式吸收了。不管從哪個(gè)角度來看，這種遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波都已經(jīng)被排除在了用作無線充電的備選方案之外。

而近場(chǎng)電磁波可以被安全地應(yīng)用于無線充電系統(tǒng)。目前的一部分醫(yī)療器械便已經(jīng)采用了這種技術(shù)，如助聽器就采用了這類技術(shù)。但它的弱點(diǎn)同樣明顯：它只能在短距離上傳輸能量，這樣你就必須讓充電設(shè)備緊貼皮膚才能進(jìn)行充電，并且它也要求植入的醫(yī)療器械不能深度太大，而必須靠近體表皮膚以便進(jìn)行無線充電。

而樸恩研究組所做的正是融合近場(chǎng)電磁波的安全性以及遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波的長(zhǎng)距離傳播性優(yōu)點(diǎn)。她利用了一個(gè)簡(jiǎn)單的原理實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)——波在不同的介質(zhì)中，如空氣，水體或生物體組織中的傳播速度是不同的。

比如說，當(dāng)你把耳朵貼在鐵軌上，你能更早地聽到火車正在接近的聲音。原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)槁暡ㄔ诮饘僦械膫鞑ニ俣纫仍诳諝庵懈臁?/p>

根據(jù)這一指導(dǎo)思路，樸恩的研究組設(shè)計(jì)了一種電源，其可以產(chǎn)生一種特殊的近場(chǎng)電磁波。當(dāng)這一電磁波從空氣向皮膚傳播的時(shí)候，它會(huì)改變自身狀態(tài)，以使其更利于傳播，就像聲波在鐵軌中的傳導(dǎo)一樣。

樸恩將這種新的技術(shù)稱作“中場(chǎng)無線傳輸”。

在PNAS的論文中論述的實(shí)驗(yàn)里，樸恩利用她研制的中場(chǎng)傳輸系統(tǒng)直接向一個(gè)微型植入式醫(yī)療器件進(jìn)行無線充電。但同樣存在一種可能性是在植入式的醫(yī)療器件中潛入微型電池，隨后借助樸恩的系統(tǒng)為這些電池進(jìn)行無線充電。但在今天的技術(shù)條件下還無法做到這樣。

樸恩實(shí)驗(yàn)室的研究生Ho表示：“借助這項(xiàng)技術(shù)，我們可以安全地向體內(nèi)植入的醫(yī)療器械傳輸電力，這些器械可能植入于心臟或腦部之中，這是現(xiàn)有的近場(chǎng)系統(tǒng)完全無能為力的?！?/p>