Предложено беспроводное питание для имплантируемых медицинских приборов
 Снимок человека с внедренным имплантатом. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Имплантируемые медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы или дефибрилляторы, обычно работают от батарей, которые не только снижают их безопасность для человека, но и делают достаточно громоздкими. Некоторые модели современных устройств, например, отдельные кохлеарные имплантаты, уже способны получать питание от радиочастотных электромагнитных полей, вместо использования собственной батареи, но они не менее громоздки, поскольку такой способ передачи энергии требует наличия приемной катушки, размеры которой – порядка нескольких сантиметров. Столь большая катушка необходима, поскольку вместо использования обычных радиоволн, которые не проникают в биологические ткани, для зарядки имплантатов используются так называемые затухающие поля, не распространяющихся более чем на несколько характерных размеров источника. Приемник же должен быть соизмерим с этими характерными размерами, поскольку иначе передача энергии не будет эффективной.
Работая в этом направлении, группа ученых из Stanford University (США) предложила способ уменьшения размеров приемника. В идеале их схема позволяет создать имплантаты менее чем миллиметрового диаметра, не имеющие собственного аккумулятора, но активизирующиеся при появлении внешнего источника питания. Так могли бы работать стимуляторы для лечения неврологических расстройств или, к примеру, датчики, включающиеся только во время считывания показаний.
В своей работе научная группа показала, что, не смотря на сильное поглощение тканями, режимы обычного излучения вполне могут повысить эффективность передачи энергии, что позволит снизить требования по соответствию характерных размеров источника и приемника. Выполненный научной группой теоретический анализ показывает, что, хотя в волновом режиме сигнал не может распространяться достаточно далеко, существует некая «золотая середина», где вместе излучающая и затухающая мода могут доставить энергию даже крошечному приемнику. Эта «средняя точка» может быть достигнута путем использования более высоких частот в гигагерцовом диапазоне (а не в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких мегагерц, который использовался ранее).
Конечно, расчеты, учитывающие оба режима передачи, оказались сложнее, чем теория для любой из этих крайностей по отдельности. Но исследователи смогли завершить их с помощью численных методов и некоторых собственноручно разработанных теоретических инструментов. Они искали соотношение режимов, отличающееся оптимальной мощностью передачи в широком диапазоне частот при условии заданной геометрии источника и приемника, а также типичных свойств ткани.
Расчеты показали, что при увеличении частоты сигнала интенсивность взаимодействия между приемником и магнитным полем увеличивается. Но одновременно увеличивается и поглощение ткани. Ранее эта проблема высоких частот считалась непреодолимой. Но научная группа обнаружила, что и для этой группы явлений существует «средняя точка», при которой волны могут проникать достаточно глубоко в ткань и передавать достаточное количество энергии. По словам ученых, этот оптимальный режим базируется на использовании интерференции излучаемых волн (т.е. приемник при этом должен быть сосредоточен в особых точках максимума сигнала).
Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Хотя на текущий момент работа ученых не подразумевает никаких прорывов с точки зрения зарядки мобильной электроники (например, мобильных телефонов), примененный подход определения оптимального поля наверняка может использоваться и для расчетов в потребительском сегменте.
Также по теме:
- Нанотрубки из диоксида титана – идеальные имплантаты
- Органические солнечные батареи могут стать эффективной заменой кремниевым
- Использование наногетеропереходов позволяет улучшить солнечные батареи
- Гетероструктуры позволяют создать более совершенные солнечные батареи
- Нанотрубки повышают эффективность работы батарей
Источники: