Table of Contents

Предизвикателството на захранването в следващото поколение диабет технология

Изкуственият панкреас, често наричан "затворена система за инжектиране на инсулин" представлява един от най-значимите постижения в управлението на диабет тип 1. Тези устройства съчетават непрекъснат глюкозен монитор (CGM), инсулинова помпа и контролен алгоритъм за автоматично регулиране на доставката на инсулин въз основа на данните за кръвната захар в реално време. За индивидите, живеещи с диабет, тази технология обещава да намали тежестта на постоянно вземане на решения и подобряване на гликемичен контрол. Въпреки това, самата функция, която прави тези системи трансформиращи се & mdash; непрекъсната, автоматизирана операция— създава фундаментално инженерно предизвикателство: устройството трябва да работи надеждно по всяко време, ден и нощ, без прекъсване.

За разлика от смартфоните или лаптопите, които могат да бъдат захранвани или заредени през нощта, изкуственият панкреас трябва да работи денонощно. Електрическата повреда, дори и кратка, може да прекъсне доставката на инсулин или следене на глюкозата, което води до опасни колебания в кръвната захар. Това изискване измества източника на енергия от просто удобство към критичен компонент за безопасност. Тъй като тези системи стават по-малки, по-притежаеми и все по-интегрирани в ежедневието, необходимостта от иновативни решения за захранване, които могат да подкрепят ежедневната употреба без често презареждане или смяна на батериите, се превръща в належащ приоритет както за изследователите, така и за производителите на устройства.

Текущи решения за мощността и техните ограничения

Най-търговско достъпните изкуствени панкреасни системи разчитат на литиево-йонни или литиево-полимерни акумулаторни батерии. Тези източници на енергия са добре разбрани и широко използвани в потребителската електроника, предлагайки разумен баланс между енергийната плътност, теглото и разходите. Въпреки това, няколко присъщи ограничения стават очевидни, когато тези батерии са разположени в медицинско устройство, което трябва да работи непрекъснато.

Размер на батерията и фактор на формата

Литиево-йонни батерии, подходящи за захранване на приемник на CGM, помперен двигател и Bluetooth радио за предаване на данни обикновено се измерват няколко сантиметра през. Тази насипни налага ограничения върху дизайна на устройството. Производителите трябва или да изградят по-големи устройства, които да поберат по-големи батерии или да приемат по-къси часове на движение. За потребителите, това разменно-изключение пряко засяга комфорта, дискретността и износимостта. Помпа, която се процежда забележимо под облекло или се чувства тежка върху кожата може да възпре последователна употреба, подкопавайки предимствата на автоматизираната терапия.

Презареждане на честотата и тежестта на потребителя

На практика, много съвременни изкуствени панкреасни устройства изискват презареждане на всеки 12 до 24 часа, в зависимост от моделите на използване, силата на Bluetooth свързаност, и честотата на доставка на инсулин. Изискване на потребителя да запомни да зарежда медицинско устройство всеки ден, и да планира около този прозорец за зареждане, въвежда форма на когнитивно бреме, че технологията има за цел да се елиминира. Нощното зареждане може да бъде особено проблемно: ако устройството трябва да се зарежда, докато потребителят спи, че зареждането сесия трябва да бъде безопасно и не може да попречи на способността на устройството да доставя инсулин или звукови аларми.

Деградация на батерията с течение на времето

През типичен живот на устройство от две до четири години, батерията може да се разпадне до 70 или 80 процента от първоначалния си капацитет, което означава, че потребителят изпитва постепенно по-къси периоди на работа. Това влошаване може да бъде ускорено чрез излагане на телесна топлина, чести дълбоки изхвърляния, и постоянното зареждане с трико, типично за износещи устройства. В крайна сметка, батерията трябва да бъде заменена, често изисквайки връщане на устройство към производителя или посещение в клиниката и др.; неудобство, което може да прекъсне терапията.

Безопасност при приключване на заряда

Когато литиево-йонна батерия наближава изчерпване, устройството трябва да запази мощност, докато все още поддържа критични функции. Много системи прилагат режими с ниска мощност, които намаляват честотата на вземане на проби от CGM, отслабват Bluetooth мощност за предаване или изключват несъществени аларми. Следователно тези мерки удължават времето за движение, те могат да деградират ефективността точно когато потребителят може да се нуждае от устройството най-много —по време на сън или когато кръвната захар вече е нестабилна. Източникът на енергия, който може да поддържа пълна функционалност през целия си предвиден период на употреба, е не само удобство, но и изискване за безопасност на пациента.

Иновативни подходи към захранването на изкуствените Pancreas устройства

Разпознаването на ограниченията на конвенционалните батерии, изследователи и инженери преследва няколко нови стратегии за захранване на изкуствените панкреасни системи. Тези подходи имат за цел да намалят или премахнат необходимостта от външно зареждане, свиване на размера на устройството и да подобрят надеждността за истинската ежедневна, ежедневна употреба.

1. Енергия, която извлича от тялото

Технологията за събиране на енергия улавя околната енергия от тялото или околната среда на потребителя и я превръща в електрическа енергия. За носене на медицински изделия, най-обещаващите методи за събиране на реколтата се изготвят на източници, които са естествено и непрекъснато достъпни.

Piezoelectric energy growing се основава на материали, които генерират електрически заряд при механично натоварване. В условията на износ, движението на ходене, движение на ръката или дори разширяването и свиването на гърдите по време на дишане могат да бъдат събрани. Изследователите са разработили гъвкави пиезоелектрически филми, които могат да бъдат интегрирани в инсулинови помпени жилища или самата тръба. Едно проучване показа, че пиезоелектричен жътвар, носен на горната част на ръката, може да генерира до 50 микроватча по време на нормална ежедневна активност — достатъчно е да захрани нискомощен Bluetooth предавател и да допълни основната батерия.

Термоелектрическата енергия, която се събира срещу кожата, използва температурната разлика между кожата (около 32–35°C) и околната среда. Термоелектричните генератори (TEGs), поставени срещу кожата, могат да произвеждат малки количества електроенергия, когато този температурен градиент съществува. За човек, който седи в стая на 22°C, добре проектиран TEG може да генерира няколко микроватови до няколко миливата. Докато тези нива на мощност са скромни, те могат да бъдат достатъчни, за да се зарежда батерия или суперкондензатор, удължавайки общото време на движение между външните заряди.

Биогориво клетки представлява по-радикален подход: те генерират електричество директно от биохимични реакции в тялото. Ензимните горивни клетки, например, могат да събират енергия от глюкоза в интерстициалната течност или кръвотока. Тази концепция е особено елегантна за изкуствен панкреас, защото устройството вече има достъп до данни от глюкозата и теоретично може да използва горивото, което също регулира. Ранните изследвания показват, че клетките от глюкоза биогориво могат да произвеждат плътност на мощността в диапазона от 1 до 100 микроволта на квадратен сантиметър от електрод област, с експлоатационни животи, измерени в дни до седмици in vivo. Значителни препятствия остават в ензимната стабилност, биосъвместимост и дългосрочна надеждност, но концепцията продължава да привлича финансиране за научни изследвания.

2. Безжичен пренос на енергия и дистанционно зареждане

Технологиите за пренос на безжична енергия (WPT) позволяват устройства да се зареждат без физическа връзка към източник на енергия. За изкуствен панкреас това може да означава зареждане, докато потребителят спи, седи на бюро или дори шофира, без да е необходимо да се премахне устройството или да се стигне до порт за зареждане.

Резонантно индуктивно свързване е най-зрелият метод на WPT. Използва магнитни полета, генерирани от бобина в зарядна подложка, за да предизвика ток в съответната бобина вътре в устройството. Този подход вече захранва много потребителски износоносци и медицински импланти. За изкуствен панкреас, резонантно индуктивно зареждане би позволил на потребителя да постави устройството близо до подложка от леглото или джобно зарядно устройство за кратки периоди. Тъй като свързването е магнитно, няма електрически контакт, премахване на корозия и и ingress точки, които компрометират водоизолирането. Основното ограничение е близост: устройството трябва да бъде в рамките на няколко сантиметра от предавателната бобина, което ограничава колко свободно може да се движи потребителят, докато се зарежда.

Фар-полета безжична мощност] с използване на радиочестотна (RF) енергия е по-амбициозен подход. Трансмитерите, работещи в лентите ISM (напр. 915 MHz или 2.4 GHz), могат да излъчват мощност над няколко метра. Получаващата антена в устройството събира част от тази RF енергия и я коригира в мощността на DC. Докато тази технология е доказана за нискомощни сензори (напр. RFID тагове и монитори за околната среда), нивата на мощност, постижима на разстоянията в измервателния обхват, обикновено са в микроватовия обхват и mdash; недостатъчно за честотата на зареждане на жиците (напр. като устройства стават по-ефективни и жибни техники, RF преносът на енергия може да се превърне в жизнеспособносим допълнителен източник, който намалява честотата на зареждане на кабела.

Ultrasonic предаване на енергия използва звукови вълни, за да предава енергия чрез тъкан и въздух. Този метод се разследва за дълбоко имплантирани медицински устройства, но може да се прилага и за износещи системи. Ултразвукът може да проникне през метални корпуси и вода (пот) по-ефективно от магнитни полета, и не изисква прецизно привеждане на бобината. Изследователските групи демонстрират ултразвуков пренос на мощност от 10 до 30 процента над разстоянията на няколко сантиметра, генерирайки миливати използваема мощност. За изкуствен панкреас, ултразвуково зарядно устройство може да се носи като китка или пластир, който предава мощност през кожата към приемащ елемент на помпата.

3. Разширени батерийни химия и технологии за съхранение

Дори и при извличането на енергия и безжичната енергия повечето системи все още ще изискват местен елемент за натрупване на енергия, за да се буферира енергията през периоди на високо търсене (напр. когато помпеният двигател активно доставя болус) или когато условията за събиране на реколтата са неблагоприятни.

Солид-държави батерии заменят течността или гел електролита, открити в конвенционалните литиево-йонни клетки с твърд керамичен или полимерен електролит. Този дизайн предлага няколко предимства за медицински износохранители: по-висока енергийна плътност (потенциално 2–3 пъти тази на литий-йон), без риск от изтичане на електролити, и по-широк обхват на работна температура. Твърдите батерии са също така по своята същност невъзпламеними, като се разглеждат опасения за безопасността, които са довели до припомняне на някои износоспособни медицински устройства. Компании като Илика и QuantumScape са обявили твърдо-държави клетки, проектирани специално за медицински импланти и износни материали, с прототипи, демонстриращи хиляди цикъла на зареждане с минимална загуба на капацитет.

Тhin-филм батерии са друг вариант, който отговаря на пространственото пространство-въздържана среда на износено устройство. Използвайки техники за отлагане на пари, производителите могат да създават батерии с дебелина, измерена в микрометри. Тези филми могат да бъдат депозирани директно върху платката на устройството или дори върху гъвкави субстрати, позволявайки на батерията да се съобрази с формата на корпуса. Докато тънките-филм батерии съхраняват по-малко обща енергия от насипните клетки, техният фактор позволява на дизайнерите да използват свободното пространство по-ефективно. За изкуствен панкреас, който трябва да остане малък и лек, една тънка батерия може да бъде увита около помпа двигател или пласт под дисплей, максимизиране на енергията без увеличаване на отпечатъка.

Суперкондензатори предлагат алтернатива на батериите за краткосрочно съхранение на енергия. Те могат да доставят високи изригвания на мощност много бързо и бързо — идеално за момента, когато инсулинова помпа мотор започва — и те могат да бъдат заредени и освобождавани стотици хиляди пъти без разграждане. Хибридна система за натрупване на енергия, съчетаваща малък суперкондензатор за максимални натоварвания и батерия за изходна мощност, може да удължи живота на батерията чрез намаляване на стреса от повтарящи се високи токове. Суперкапсцитаторите, базирани на графен или карбонови нанотръбни електроди, са особено обещаващи поради високата си площ и бързите скорости на зареждане.

4. Управление на захранването и нискоскоростен дизайн

Отвъд самия източник на енергия, как устройството управлява и консумира енергия е също толкова важно. Значителни печалби могат да бъдат постигнати чрез интелигентни алгоритми за управление на енергията и подбор на компоненти.

Адаптивно вземане на проби и предаване[ е една такава стратегия. Вместо да се взема проба от глюкозата с фиксирана висока скорост (напр., всяка минута), устройството може динамично да регулира честотата на вземане на проби въз основа на скоростта на промяна на кръвната захар. Когато нивата на глюкозата са стабилни, CGM може да взема проби на всеки пет минути и да предава данни рядко. Когато глюкозата се покачва или пада бързо, системата увеличава скоростта на вземане на проби и предаването, за да осигури по-строг контрол. Този адаптивен подход може да намали средната консумация на енергия с 40 до 60 процента без да компрометира безопасността.

Спане на режими и будни задейства[ позволява на устройството да захранва некритични подсистеми по време на периоди на ниска активност. Например, Bluetooth радио, което често е един от най-големите потребители на енергия, може да бъде поставен в дълбоко състояние на сън между редовните предавания на данни. CGM сензор, контролер на помпата, и алгоритъм процесор може да въведе ниско мощност състояния, когато не е активно необходимо. Тези микроархитектурни оптимизации, едновременно удължават живота на батерията в много съвременни износодатели.

Енергийно-ефективното въвеждане на алгоритъм също има значение. Алгоритъмът за контрол, който изчислява скоростта на доставка на инсулин може да се прилага в аритметика с фиксирана мощност на микроконтролер с ниска мощност, а не на процесор за цифрови сигнали с ниско напрежение. Изследователите са доказали, че пропорционалният контролер за интегрална (ПИД) функция или моделен прогностичен контрол (МПС) алгоритъм може да работи с микроконтролер, който консумира по-малко от 100 микроватера в активен режим, като същевременно все още отговаря на изискванията в реално време на глюкозната регулация. Избирането на компоненти с правилния баланс на ефективността и ефективността е ключово инженерно решение във всеки изкуствен дизайн на панкреаса.

Безопасност и регулаторни съображения за романтичните енергийни системи

Въвеждането на нова технология за захранване в медицинско устройство, особено такова, което пряко контролира доставката на инсулин, изисква строго валидиране на безопасността и одобрение на нормативните изисквания.

За енергосъбиращите системи,[ непредсказуемостта на източника на енергия въвежда нов слой на сложност. Устройството трябва да е проектирано да функционира безопасно дори когато условията за събиране на реколтата са лоши и немощни; например, ако потребителят е заседнал в продължение на много часове. Система, която разчита на събрана енергия, трябва да включва резервен резерв с достатъчен капацитет за поддържане на критични функции за определен период.

За безжичен пренос на енергия, загриженост за безопасността център за отопление на тъкани и електромагнитно поле експозиция. Специфичните скорости на поглъщане (SAR) трябва да бъдат удовлетворени, за да се гарантира, че RF или ултразвукова енергия не причинява топлинна повреда. Индуктивните системи за зареждане, работещи на честоти под 1 MHz обикновено представляват минимален риск, но далечно поле RF системи, работещи на по-високи честоти, изискват внимателен дизайн и ограничаване на мощността на антената.

За напреднали батерийни химии, пламбливостта и токсичността остават ключови опасения. Твърдите батерии са по същество по-безопасни от течни електролитни батерии, но те все още трябва да преминат строги тестове за късо съединение, презареждане и условия на пункция. Ръководството на ООН за изпитвания и критерии (ООН 38.3) е признат стандарт за безопасност на литиевата батерия и се разработват подобни протоколи за изпитване за възникващи химии.

Интеграционни предизвикателства и дизайн на системно ниво

Приемането на нов източник на енергия не е просто въпрос на смяна на една батерия за друга. Цялата архитектура на устройството трябва да бъде проектирана с оглед на енергийната система.

Управление на въоръжението става по-важно, когато компонентите за събиране на енергия генерират топлина или когато безжичното зареждане предизвиква плюшени течения в близки метални части. Устройството трябва да разсее излишната топлина, без да повишава температурата на кожата над безопасните граници (обикновено 4°C се издига над околната среда за медицински устройства в контакт с кожата). Инженерите трябва да моделират термалния профил на устройството при най-лоши условия на зареждане и прибиране на реколтата и може да се наложи да включат топлоразпределителни материали или фазови промени, за да управляват горещите точки.

Вода и пот навлезе е постоянно предизвикателство за всяко износоемък. Устройство, което разчита на пиезоелектрическа или термоелектрическа жътва може да има отвори или отвори, които компрометират IP рейтинга му. Всички компоненти за събиране на енергия и безжично зареждане трябва да бъдат запечатани срещу влага, като същевременно се позволява на физическите явления (вибрацията, температурен градиент, магнитно поле) да достигнат активните елементи. Това често изисква нови стратегии за капсулиране, като например етиращи съединения, тънки прегради на фолиото, или херметични заграми.

Форм фактор и комфорт не може да бъде пожертвана за иновации в енергийната система. Батерия, която продължава три дни, но прави устройството два пъти по-дебело е малко вероятно да бъде прието. Инженерите трябва да работят в тясно сътрудничество с индустриални дизайнери и клинични крайни потребители, за да се гарантира, че подобренията в енергийната система се превръщат в реални ползи, а не само теоретични печалби.

Бъдещи перспективи и пътя напред

Търсенето на истински цял ден изкуствена панкреасна енергия е мултидисциплинарен опит, който обхваща материали наука, електротехника, биомедицина и регулаторна наука. Никоя технология не е вероятно да осигури цялостно решение; вместо това най-успешните системи ще интегрират множество подходи в холистичната енергийна архитектура.

Вероятен близкосрочен сценарий за следващото поколение устройства е хибридна система, която съчетава малка батерия от твърдо състояние за изходна мощност, суперкондензатор за максимални натоварвания и индуктивна безжична система за зареждане, която позволява на потребителя да зарежда устройството за 15 до 30 минути на ден, докато извършва други дейности. Събирането на енергия от движението на тялото или топлината може да служи като допълнителен връх, като удължава интервала между задължителните сесии за зареждане от един ден до три или четири дни.

Биогориво клетки, които черпят енергия директно от глюкозата на тялото може теоретично да осигури непрекъсната мощност в продължение на седмици или месеци без външно зареждане. Имплантирани пиезоелектрични жътвари, които улавят енергия от биещото сърце или движението на скелетните мускули, могат да захранват напълно вътрешни изкуствени панкреасни системи, които не изискват никакви външни компоненти. Докато тези идеи остават в лабораторния етап, те сочат към бъдеще, в което изкуственият панкреас е наистина самоподдържащ се.

Сътрудничеството между академичните среди, промишлеността и регулаторните агенции ще бъде от съществено значение за преодоляване на оставащите препятствия. Организации като JDRF и Американската асоциация по диабет са финансирали ранните проучвания в енергийните системи за диабетни устройства, докато компании като Medtronic и Insulet продължават да прокарват границите на дизайна на търговските продукти. Междувременно FDA публикува насоки за безопасността и очакванията за производителността на презареждащите медицински изделия, като осигурява ясен регулаторен път за новатори.

В крайна сметка успехът на всяко решение на мощността ще бъде оценен чрез въздействието му върху резултатите на пациента. Устройство, което трябва да се презарежда на всеки 12 часа, но постига отличен гликемичен контрол, може да бъде по-малко привлекателен от този, който работи в продължение на три дни с малко по-малко прецизен контрол. Намирането на правилния баланс между надеждността на мощността, размера на устройството, удобството на потребителя и клиничното изпълнение изисква непрекъснат диалог с хората, които носят тези устройства всеки ден. diaTribe Foundation и други групи пациенти, които се застъпничество предоставят безценни форуми за този обмен, гарантирайки, че гласовете на живеещите с диабет, ръководят инженерните решения, които оформят тяхното лечение.

Тъй като изкуственият панкреас продължава да се развива от концепцията за изследване в основната терапия, източникът на енергия ще остане определяща функция, която определя дали устройството успява или не в реалния свят. С иновативните подходи в момента в рамките на развитие — от събиране на енергия и безжично зареждане с модерни батерии и интелигентно управление на енергията— целта на истински цял ден, безпроблемен изкуствен панкреас се движи в рамките на достигане. Комбинацията от инженерна креативност, строг тест за безопасност и дизайн с пациент-центриран дизайн в крайна сметка ще се окаже на обещанието за автоматизирано доставка на инсулин, който наистина освобождава хората от постоянната тежест на управлението на диабета.