Table of Contents

Η πρόκληση δύναμης στην τεχνολογία του διαβήτη επόμενης γενιάς

Το τεχνητό πάγκρεας, που συχνά αναφέρεται ως σύστημα χορήγησης ινσουλίνης κλειστού τύπου, αντιπροσωπεύει μια από τις σημαντικότερες προόδους στη διαχείριση του διαβήτη τύπου 1. Αυτές οι συσκευές συνδυάζουν μια συνεχή οθόνη γλυκόζης (CGM), μια αντλία ινσουλίνης, και έναν αλγόριθμο ελέγχου για την αυτόματη προσαρμογή της χορήγησης ινσουλίνης με βάση τις ενδείξεις σακχάρου σε πραγματικό χρόνο. Για τα άτομα που ζουν με διαβήτη, η τεχνολογία αυτή υπόσχεται να μειώσει το βάρος της σταθερής λήψης αποφάσεων και να βελτιώσει τον γλυκαιμικό έλεγχο. Ωστόσο, το ίδιο το χαρακτηριστικό που κάνει αυτά τα συστήματα μετασχηματιστικά & mdash; συνεχές, αυτοματοποιημένη λειτουργία—δημιουργεί μια θεμελιώδη πρόκληση μηχανικής: η συσκευή πρέπει να λειτουργεί αξιόπιστα ανά πάσα στιγμή, ημέρα και νύχτα, χωρίς διακοπή.

Σε αντίθεση με τα smartphones ή τα laptop, τα οποία μπορούν να τροφοδοτούνται ή να φορτίζονται κατά τη διάρκεια της νύχτας, ένα τεχνητό πάγκρεας πρέπει να λειτουργεί όλο το εικοσιτετράωρο. Μια διακοπή ρεύματος, ακόμη και μια σύντομη, μπορεί να διακόψει την παροχή ινσουλίνης ή την παρακολούθηση της γλυκόζης, οδηγώντας σε επικίνδυνες διακυμάνσεις του σακχάρου στο αίμα. Αυτή η απαίτηση μετατοπίζει την πηγή ενέργειας από μια απλή ευκολία σε ένα κρίσιμο συστατικό ασφάλειας. Καθώς αυτά τα συστήματα γίνονται μικρότερα, πιο φθαρτά, και όλο και περισσότερο ενσωματωμένα στην καθημερινή ζωή, η ανάγκη για καινοτόμες λύσεις ισχύος που μπορούν να υποστηρίξουν τη χρήση όλη την ημέρα χωρίς συχνή επαναφόρτιση ή ανταλλαγές μπαταρίας έχει καταστεί μια επείγουσα προτεραιότητα τόσο για τους ερευνητές όσο και τους κατασκευαστές συσκευών.

Τρέχουσες Λύσεις Ενέργειας και τους περιορισμούς τους

Τα περισσότερα εμπορικά διαθέσιμα τεχνητά συστήματα πάγκρεας βασίζονται σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου ή λιθίου-πολυμερών. Αυτές οι πηγές ενέργειας είναι καλά καταπιεσμένες και χρησιμοποιούνται ευρέως στην ηλεκτρονική των καταναλωτών, προσφέροντας μια λογική ισορροπία μεταξύ της ενεργειακής πυκνότητας, του βάρους και του κόστους. Ωστόσο, αρκετοί εγγενείς περιορισμοί γίνονται εμφανής όταν αυτές οι μπαταρίες αναπτύσσονται σε μια ιατρική συσκευή που πρέπει να λειτουργεί συνεχώς.

Μέγεθος μπαταρίας και συντελεστής μορφής

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κατάλληλες για την τροφοδοσία τόσο ενός δέκτη CGM, ενός κινητήρα αντλίας, και ενός ραδιοφώνου Bluetooth για μετάδοση δεδομένων μετρούν συνήθως αρκετά εκατοστά σε όλη. Αυτό το βάρος επιβάλλει περιορισμούς στο σχεδιασμό της συσκευής. Οι κατασκευαστές πρέπει είτε να κατασκευάσουν μεγαλύτερες συσκευές που φιλοξενούν μεγαλύτερες μπαταρίες ή να δέχονται μικρότερους χρόνους λειτουργίας. Για τους χρήστες, αυτό το trade-off επηρεάζει άμεσα την άνεση, τη διακριτική ευχέρεια και τη δυνατότητα wearability. Μια αντλία που προεξέχει αισθητά κάτω από τα ρούχα ή αισθάνεται βαρύ για το δέρμα μπορεί να αποτρέψει τη συνεπή χρήση, υπονομεύοντας τα ίδια τα οφέλη της αυτοματοποιημένης θεραπείας.

Επαναφόρτιση Συχνότητα και βάρος χρήστη

Στην πράξη, πολλές σύγχρονες συσκευές του τεχνητού παγκρέατος απαιτούν επαναφόρτιση κάθε 12 έως 24 ώρες, ανάλογα με τα πρότυπα χρήσης, τη δύναμη σύνδεσης Bluetooth και τη συχνότητα της χορήγησης ινσουλίνης. Απαιτώντας από ένα χρήστη να θυμάται να φορτίζει μια ιατρική συσκευή κάθε μέρα, και να προγραμματίζει γύρω από αυτό το παράθυρο φόρτισης, επανεισάγει μια μορφή γνωστικού φορτίου που η τεχνολογία στοχεύει στην εξάλειψη. Η νυχτερινή φόρτιση μπορεί να είναι ιδιαίτερα προβληματική: αν η συσκευή πρέπει να φορτίσει ενώ ο χρήστης κοιμάται, ότι η συνεδρία φόρτισης πρέπει να είναι ασφαλής και δεν μπορεί να παρεμβαίνει με την ικανότητα της συσκευής να παραδώσει την ινσουλίνη ή τους συναγερμούς ήχου.

Αποικοδόμηση μπαταριών με το πέρασμα του χρόνου

Επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου χάνουν την ικανότητα με κάθε κύκλο φόρτισης. Σε μια τυπική διάρκεια ζωής δύο έως τεσσάρων ετών, μια μπαταρία μπορεί να υποβαθμίσει σε 70 ή 80 τοις εκατό της αρχικής της ικανότητας, που σημαίνει ότι οι εμπειρίες του χρήστη σταδιακά συντομότερες ώρες λειτουργίας. Αυτή η υποβάθμιση μπορεί να επιταχυνθεί με την έκθεση στη θερμότητα του σώματος, συχνές εκκενώσεις βαθιά, και τη συνεχή φόρτιση τυπικός της φθαρτής συσκευής. Τελικά, η μπαταρία πρέπει να αντικατασταθεί, συχνά απαιτείται μια συσκευή επιστροφής στον κατασκευαστή ή μια κλινική επίσκεψη— μια ενόχληση που μπορεί να διακόψει τη θεραπεία.

Ανησυχίες για την Ασφάλεια στο Τέλος της Φόρτισης

Όταν μια μπαταρία ιόντων λιθίου πλησιάζει την εξάντληση, η συσκευή πρέπει να διατηρήσει την ισχύ διατηρώντας ακόμα κρίσιμες λειτουργίες. Πολλά συστήματα εφαρμόζουν τρόπους χαμηλής ισχύος που μειώνουν τη συχνότητα δειγματοληψίας CGM, αποδυναμώνουν την ισχύ μετάδοσης Bluetooth, ή απενεργοποιούν μη-ουσιώδεις συναγερμούς. Ενώ αυτά τα μέτρα επεκτείνουν το χρόνο λειτουργίας, μπορούν να υποβαθμίσουν την απόδοση ακριβώς όταν ο χρήστης μπορεί να χρειαστεί τη συσκευή most— κατά τη διάρκεια του ύπνου ή όταν το σάκχαρο του αίματος είναι ήδη ασταθής. Μια πηγή ενέργειας που μπορεί να διατηρήσει την πλήρη λειτουργικότητα καθ 'όλη τη διάρκεια της προβλεπόμενης περιόδου χρήσης της δεν είναι απλώς μια ευκολία αλλά μια απαίτηση ασφάλειας ασθενούς.

Καινοτόμες προσεγγίσεις για την παροχή ενέργειας συσκευές τεχνητής παγκρέατος

Αναγνωρίζοντας τους περιορισμούς των συμβατικών μπαταριών, ερευνητές και μηχανικοί επιδιώκουν διάφορες νέες στρατηγικές για την ενέργεια των συστημάτων του τεχνητού παγκρέατος. Αυτές οι προσεγγίσεις αποσκοπούν στη μείωση ή την εξάλειψη της ανάγκης για εξωτερική φόρτιση, συρρικνώνεται το μέγεθος της συσκευής, και τη βελτίωση της αξιοπιστίας για την πραγματική όλη την ημέρα, καθημερινή χρήση.

1. Εξόρυξη ενέργειας από το σώμα

Η τεχνολογία συλλογής ενέργειας συλλαμβάνει την ενέργεια του περιβάλλοντος από το σώμα ή το περιβάλλον του χρήστη και τη μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Για φορητές ιατρικές συσκευές, οι πιο ελπιδοφόροι μέθοδοι συγκομιδής αντλούν σε πηγές που είναι φυσικά και συνεχώς διαθέσιμες.

Η συλλογή ενέργειας από πειζοηλεκτρικό [ βασίζεται σε υλικά που παράγουν ηλεκτρικό φορτίο όταν τονίζεται μηχανικά. Σε ένα περιβάλλον που μπορεί να φορεθεί, η κίνηση του περπατήματος, της κίνησης των χεριών, ή ακόμη και η διαστολή και συστολή του θώρακα κατά την αναπνοή μπορούν να συγκομιστούν. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει εύκαμπτες πιεζοηλεκτρικές ταινίες που μπορούν να ενσωματωθούν σε περιβλήματα αντλίας ινσουλίνης ή η ίδια η σωληνωτή. Μια μελέτη έδειξε ότι ένας πιεζοηλεκτρικός θεριστής που φοριέται στο άνω βραχίονα θα μπορούσε να παράγει έως και 50 μικροβάτ κατά τη διάρκεια της κανονικής καθημερινής δραστηριότητας— αρκετά για να τροφοδοτήσει έναν πομπό Bluetooth χαμηλής ισχύος και να συμπληρώσει την κύρια μπαταρία.

Η συγκομιδή ηλεκτρικής ενέργειας εκμεταλλεύεται τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του δέρματος (σχεδόν 32–35°C) και του περιβάλλοντος περιβάλλοντος. Οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (TEGs) που τοποθετούνται κατά του δέρματος μπορούν να παράγουν μικρές ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας όποτε υπάρχει αυτή η κλίση θερμοκρασίας. Για ένα άτομο που κάθεται σε ένα δωμάτιο στο 22°C, ένα καλά σχεδιασμένο TEG μπορεί να παράγει αρκετά μικροβάτ σε μερικά χιλιοστά. Ενώ αυτά τα επίπεδα ισχύος είναι μέτρια, μπορούν να είναι επαρκή για να φορτίσουν μια μπαταρία ή υπερκαπακτωτή, επεκτείνοντας το συνολικό χρόνο λειτουργίας μεταξύ εξωτερικών φορτίων.

Τα κύτταρα βιοκαυσίμου αντιπροσωπεύουν μια πιο ριζοσπαστική προσέγγιση: παράγουν ηλεκτρική ενέργεια απευθείας από βιοχημικές αντιδράσεις στο σώμα. Οι ενζυματικές κυψέλες καυσίμου, για παράδειγμα, μπορούν να συλλέξουν ενέργεια από τη γλυκόζη στο διάμεσο υγρό ή την κυκλοφορία του αίματος. Αυτή η έννοια είναι ιδιαίτερα κομψή για ένα τεχνητό πάγκρεας, επειδή η συσκευή έχει ήδη πρόσβαση σε δεδομένα γλυκόζης και θα μπορούσε θεωρητικά να χρησιμοποιήσει το καύσιμο που ρυθμίζει επίσης. Η έρευνα σε πρώιμο στάδιο έχει δείξει ότι τα κύτταρα βιοκαυσίμων γλυκόζης μπορούν να παράγουν πυκνότητες ισχύος στην περιοχή από 1 έως 100 μικροβάτ ανά τετραγωνικό εκατοστό της περιοχής ηλεκτροδίων, με επιχειρησιακές ζωές που μετρούνται σε ημέρες έως εβδομάδες in vivo. Σημαντικά εμπόδια παραμένουν στη σταθερότητα ενζύμων, στη βιοσυμβατότητα και στη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία, αλλά η έννοια συνεχίζει να προσελκύει χρηματοδότηση έρευνας.

2. Ασύρματη μεταφορά ενέργειας και απομακρυσμένη φόρτιση

Οι τεχνολογίες ασύρματης μεταφοράς ισχύος (WPT) επιτρέπουν τη φόρτιση συσκευών χωρίς φυσική σύνδεση σε μια πηγή ενέργειας. Για ένα τεχνητό πάγκρεας, αυτό θα μπορούσε να σημαίνει φόρτιση ενώ ο χρήστης κοιμάται, κάθεται σε ένα γραφείο, ή ακόμη και οδηγεί, χωρίς να χρειάζεται να αφαιρέσετε τη συσκευή ή να έχετε πρόσβαση σε μια θύρα φόρτισης.

Η αντήχηση επαγωγική ζεύξη[[LFT:1]] είναι η πιο ώριμη μέθοδος WPT. Χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από πηνίο σε ένα μαξιλάρι φόρτισης για να προκαλέσει ρεύμα σε αντίστοιχο πηνίο μέσα στη συσκευή. Αυτή η προσέγγιση ήδη τροφοδοτεί πολλά φορητά και ιατρικά εμφυτεύματα καταναλωτών. Για τεχνητό πάγκρεας, η η ηχηρή επαγωγική φόρτιση θα επέτρεπε στο χρήστη να τοποθετήσει τη συσκευή κοντά σε στρώμα κρεβατιού ή σε ένα φορτιστή τσέπης για σύντομες περιόδους. Επειδή η ζεύξη είναι μαγνητική, δεν υπάρχει ηλεκτρική επαφή, εξαλείφοντας τη διάβρωση και τα σημεία εισόδου που συμβιβάζουν τη στεγανοποίηση. Ο κύριος περιορισμός είναι η εγγύτητα: η συσκευή πρέπει να είναι μέσα σε λίγα εκατοστά του πηνίου πομπού, που περιορίζει το πόσο ελεύθερα μπορεί να κινηθεί ο χρήστης ενώ χρεώνει.

Η ασύρματη ισχύς σε επίπεδο Far-field[] με τη χρήση ενέργειας ραδιοσυχνοτήτων (RF) είναι μια πιο φιλόδοξη προσέγγιση. Οι μεταδότες που λειτουργούν στις ζώνες ISM (π.χ. 915 MHz ή 2.4 GHz) μπορούν να διακτινίζουν ισχύ σε αποστάσεις αρκετών μέτρων. Η κεραία λήψης στη συσκευή συγκομίζει ένα μέρος αυτής της ενέργειας RF και την επανορθώνει σε ισχύ DC. Ενώ η τεχνολογία αυτή έχει αποδειχθεί για αισθητήρες χαμηλής ισχύος (π.χ., ετικέτες RFID και περιβαλλοντικές οθόνες), τα επίπεδα ισχύος που είναι εφικτά σε αποστάσεις κλίμακας μετρητή είναι συνήθως στην κλίμακα RF&mdash·ανεπαρκή για τις απαιτήσεις χιλιοβάτ επιπέδου μιας αντλίας ινσουλίνης και CGM. Ωστόσο, καθώς οι συσκευές γίνονται πιο ενεργειακά αποδοτικές και βελτιώνουν τις τεχνικές διαμόρφωσης δέσμης, η μεταφορά ισχύος RF θα μπορούσε να καταστεί μια βιώσιμη συμπληρωματική πηγή που μειώνει τη συχνότητα ενσύνδεσης.

Η υπερηχητική μεταφορά ενέργειας[[LFT:1]] χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα για να μεταδώσει ενέργεια μέσω ιστών και αέρα. Αυτή η μέθοδος ερευνάται για βαθιά εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές, αλλά θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε συστήματα που μπορούν να φθαρούν. Ο υπέρηχος μπορεί να διεισδύσει μέσω μεταλλικών περιβλημάτων και νερού (ιδρύματος) πιο αποτελεσματικά από τα μαγνητικά πεδία, και δεν απαιτεί ακριβή ευθυγράμμιση σπειρών. Οι ερευνητικές ομάδες έχουν αποδείξει υπερηχητικές επιδόσεις μεταφοράς ισχύος 10 έως 30 τοις εκατό σε αποστάσεις αρκετών εκατοστών, παράγοντας χιλιοστά της χρήσιμης ισχύος. Για ένα τεχνητό πάγκρεας, ένας υπερηχικός φορτιστής θα μπορούσε να φορεθεί ως καρποφόρος ή έμπλαστρο που μεταδίδει ενέργεια μέσω του δέρματος σε ένα στοιχείο λήψης στο σώμα της αντλίας.

3. Προηγμένα χημεία μπαταριών και τεχνολογίες αποθήκευσης

Ακόμη και με τη συγκομιδή ενέργειας και την ασύρματη ενέργεια, τα περισσότερα συστήματα θα εξακολουθούν να απαιτούν ένα τοπικό στοιχείο αποθήκευσης ενέργειας για να ρυθμίζουν την ισχύ σε περιόδους υψηλής ζήτησης (π.χ. όταν ο κινητήρας της αντλίας παρέχει ενεργά μια bolus) ή όταν οι συνθήκες συγκομιδής είναι δυσμενείς.

Οι μπαταρίες σε κατάσταση στερεής κατάστασης[[LFT:1]] αντικαθιστούν τον ηλεκτρολύτη υγρού ή πηκτώματος που βρίσκεται σε συμβατικά ιόντα λιθίου με στερεό κεραμικό ή πολυμερές ηλεκτρολύτη. Ο σχεδιασμός αυτός προσφέρει διάφορα πλεονεκτήματα για ιατρικά φθαρτά: υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας (πιθανώς 2–3 φορές αυτή του ιόντων λιθίου), δεν υπάρχει κίνδυνος διαρροής ηλεκτρολυτών, και μια ευρύτερη περιοχή θερμοκρασίας λειτουργίας. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι επίσης εγγενώς μη εύφλεκτες, με την αντιμετώπιση ενός προβληματισμού ασφάλειας που οδήγησε σε ανακλήσεις κάποιων φθαρτών ιατρικών συσκευών. Εταιρείες όπως η Ilika και η QuantumScape έχουν ανακοινώσει κύτταρα στερεάς κατάστασης σχεδιασμένα ειδικά για ιατρικά εμφυτεύματα και φορητά, με πρωτότυπα να επιδεικνύουν χιλιάδες κύκλους φόρτισης με ελάχιστη απώλεια χωρητικότητας.

Οι μπαταρίες με φιλμ είναι μια άλλη παραλλαγή που ταιριάζει στο περιβάλλον που είναι περιορισμένος στο χώρο μιας φορητή συσκευής. Χρησιμοποιώντας τεχνικές εναπόθεσης ατμού, οι κατασκευαστές μπορούν να δημιουργήσουν μπαταρίες με πάχος μετρημένο σε μικρομέτρα. Αυτές οι ταινίες μπορούν να αποτεθούν απευθείας στο κύκλωμα της συσκευής ή ακόμα και σε εύκαμπτα υποστρώματα, επιτρέποντας στην μπαταρία να συμμορφώνεται με το σχήμα του περιβλήματος. Ενώ οι μπαταρίες με λεπτό υμένιο αποθηκεύουν λιγότερη συνολική ενέργεια από τα κύτταρα χύμα, ο συντελεστής μορφής τους επιτρέπει στους σχεδιαστές να χρησιμοποιούν πιο αποδοτικά το διαθέσιμο χώρο. Για ένα τεχνητό πάγκρεας που πρέπει να παραμένει μικρό και ελαφρύ, μια μπαταρία με λεπτό φιλμ θα μπορούσε να τυλιχθεί γύρω από έναν κινητήρα αντλίας ή να στρωθεί κάτω από οθόνη, μεγιστοποιώντας την αποθήκευση ενέργειας χωρίς αύξηση του αποτυπώματος.

Οι υπερκαπακτωτές προσφέρουν μια εναλλακτική λύση στις μπαταρίες για βραχυπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας. Μπορούν να προσφέρουν υψηλές εκρήξεις ενέργειας πολύ γρήγορα— ιδεαλικοί για τη στιγμή που ένας κινητήρας αντλίας ινσουλίνης ξεκινά— και μπορούν να φορτιστούν και να εκφορτιστούν εκατοντάδες χιλιάδες φορές χωρίς υποβάθμιση. Ένα υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που συνδυάζει ένα μικρό υπερκαπάκιτορ για φορτία αιχμής και μια μπαταρία για βασική ισχύ θα μπορούσε να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας μειώνοντας το άγχος των επαναλαμβανόμενων υψηλής ρεύματος αντλιών.

4. Διαχείριση ενέργειας και σχεδιασμός χαμηλής ισχύος

Πέρα από την ίδια την πηγή ενέργειας, το πώς η συσκευή διαχειρίζεται και καταναλώνει ενέργεια είναι εξίσου σημαντικό.

Η προσαρμοστική δειγματοληψία και μετάδοση[] είναι μια τέτοια στρατηγική. Αντί να δειγματοληπτική γλυκόζη με σταθερό υψηλό ρυθμό (π.χ. κάθε λεπτό), η συσκευή μπορεί δυναμικά να προσαρμόσει τη συχνότητα δειγματοληψίας της με βάση το ρυθμό αλλαγής του σακχάρου στο αίμα. Όταν τα επίπεδα γλυκόζης είναι σταθερά, το CGM μπορεί να δοκιμάζει κάθε πέντε λεπτά και να μεταδίδει δεδομένα σπάνια. Όταν η γλυκόζη αυξάνεται ή μειώνεται γρήγορα, το σύστημα αυξάνει το ρυθμό δειγματοληψίας και μετάδοσης για να παρέχει αυστηρότερο έλεγχο. Αυτή η προσαρμοστική προσέγγιση μπορεί να μειώσει τη μέση κατανάλωση ισχύος κατά 40 έως 60 τοις εκατό χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ασφάλεια.

Κοιμηθείτε και ενεργοποιήστε την ενεργοποίηση της αφύπνισης[ επιτρέπουν στη συσκευή να ενεργοποιεί μη κρίσιμα υποσυστήματα κατά τη διάρκεια περιόδων χαμηλής δραστηριότητας. Για παράδειγμα, το ⁇ Bluetooth, το οποίο είναι συχνά ένας από τους μεγαλύτερους καταναλωτές ενέργειας, μπορεί να τοποθετηθεί σε κατάσταση βαθιάς νάρκης μεταξύ προγραμματισμένων μεταδόσεων δεδομένων. Ο αισθητήρας CGM, ο ελεγκτής αντλίας και ο επεξεργαστής αλγορίθμου μπορούν να εισέλθουν σε καταστάσεις χαμηλής ισχύος όταν δεν είναι ενεργά απαραίτητες. Ένα ρολόι πραγματικού χρόνου και ένα σύνολο ενεργοποιήσεων αφύπνισης που κινούνται με διακοπή (π.χ. ένα σήμα συναγερμού ή μια ανιχνεύθης διέλευση ορίου γλυκόζης) μπορούν να επαναφέρουν τη συσκευή σε πλήρη λειτουργία εντός χιλιοστό δευτερολέπτων. Αυτές οι μικροαρχιδοτικές βελτιστοποιήσεις επεκτείνουν σωρευτικά τη ζωή της μπαταρίας σε πολλά σύγχρονα φορητά.

Ο αλγόριθμος ελέγχου που υπολογίζει τα ποσοστά παράδοσης ινσουλίνης μπορεί να εφαρμοστεί σε αριθμητική σταθερής ισχύος σε μικροελεγκτή χαμηλής ισχύος και όχι σε επεξεργαστή ψηφιακού σήματος που πεινάει. Οι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι ένας αναλογικός-ενεργός-παράγωγος (PID) ελεγκτής ή ένας αλγόριθμος προγνωστικού ελέγχου μοντέλου (MPC) μπορεί να τρέξει σε έναν μικροελεγκτή που καταναλώνει λιγότερα από 100 μικροβάτ σε ενεργό λειτουργία, ενώ εξακολουθούν να πληρούν τις απαιτήσεις ρύθμισης της γλυκόζης σε πραγματικό χρόνο. Η επιλογή συστατικών με τη σωστή ισορροπία απόδοσης και αποδοτικότητας είναι μια βασική απόφαση μηχανικής σε κάθε τεχνητό σχεδιασμό πάγκρεας.

Ασφάλεια και ρυθμιστικές παρατηρήσεις για τα νέα συστήματα ισχύος

Η εισαγωγή μιας νέας τεχνολογίας ενέργειας σε ένα ιατρικό τεχνολογικό προϊόν, ειδικά ένα που ελέγχει άμεσα την παράδοση ινσουλίνης, απαιτεί αυστηρή επικύρωση της ασφάλειας και ρυθμιστική έγκριση. Η Υπηρεσία Τροφίμων και Φαρμάκων των ΗΠΑ (FDA) και διεθνείς φορείς όπως η Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή (IEC) έχουν θεσπίσει πρότυπα για ιατρικό ηλεκτρικό εξοπλισμό, συμπεριλαμβανομένης της ασφάλειας της μπαταρίας, της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και της διαχείρισης του κινδύνου.

Για τα συστήματα συλλογής ενέργειας, η μη προβλεψιμότητα της πηγής ενέργειας εισάγει ένα νέο στρώμα πολυπλοκότητας. Η συσκευή πρέπει να είναι σχεδιασμένη ώστε να λειτουργεί με ασφάλεια ακόμη και όταν οι συνθήκες συγκομιδής είναι φτωχές&mdash· για παράδειγμα, εάν ο χρήστης είναι καθιστικός για πολλές ώρες. Ένα σύστημα που βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε συγκομισμένη ενέργεια πρέπει να περιλαμβάνει εφεδρικό ενεργειακό απόθεμα με επαρκή ικανότητα για τη διατήρηση κρίσιμων λειτουργιών για μια καθορισμένη περίοδο.Η καθοδήγηση του FDA για επαναφορτιζόμενες ιατρικές συσκευές απαιτεί από τους κατασκευαστές να χαρακτηρίζουν την απόδοση του τεχνολογικού προϊόντος σε διάφορες καταστάσεις φόρτισης και να εξασφαλίζει ότι η συσκευή παρέχει προειδοποιήσεις πριν από οποιαδήποτε απώλεια κρίσιμης λειτουργίας.

Για ασύρματη μεταφορά ισχύος, το κέντρο ασφάλειας στη θέρμανση ιστών και την έκθεση σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Τα ειδικά όρια απορρόφησης (SAR) πρέπει να πληρούνται για να διασφαλιστεί ότι η RF ή η υπερηχητική ενέργεια δεν προκαλεί θερμική βλάβη. Τα επαγωγικά συστήματα φόρτισης που λειτουργούν σε συχνότητες κάτω του 1 MHz παρουσιάζουν συνήθως ελάχιστο κίνδυνο, αλλά τα συστήματα RF μακρινού πεδίου που λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες απαιτούν προσεκτική σχεδίαση κεραιών και περιορισμό ισχύος. Η οικογένεια προτύπων IEC 60601 παρέχει ένα πλαίσιο για τη δοκιμή και επικύρωση τέτοιων συστημάτων.

Για τις προηγμένες χημικές εγκαταστάσεις της μπαταρίας, η ευφλεκτότητα και η τοξικότητα παραμένουν βασικά προβλήματα. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι εγγενώς ασφαλέστερες από τις μπαταρίες υγρών ηλεκτρολυτών, αλλά πρέπει να περάσουν ακόμη αυστηρές δοκιμές για βραχυκύκλωμα, υπερφόρτιση και συνθήκες παρακέντησης. Το εγχειρίδιο των Ηνωμένων Εθνών για τις δοκιμές και τα κριτήρια (UN 38.3) είναι το αναγνωρισμένο πρότυπο για την ασφάλεια μεταφοράς μπαταριών λιθίου, και παρόμοια πρωτόκολλα δοκιμών αναπτύσσονται για αναδυόμενες χημικές βιομηχανίες.

Προκλήσεις ενσωμάτωσης και σχεδιασμός επιπέδου συστήματος

Η υιοθέτηση μιας νέας πηγής ενέργειας δεν είναι απλώς θέμα ανταλλαγής μιας μπαταρίας με μια άλλη.

Η διαχείριση θερμικών υλικών[ γίνεται πιο σημαντική όταν τα συστατικά συλλογής ενέργειας παράγουν θερμότητα ή όταν η ασύρματη φόρτιση προκαλεί ρεύματα Eddy σε κοντινά μεταλλικά μέρη. Η συσκευή πρέπει να διαχέει τυχόν περίσσεια θερμότητας χωρίς να αυξάνει τη θερμοκρασία του δέρματος πάνω από τα ασφαλή όρια (συνήθως ένα 4° C αυξάνεται πάνω από το περιβάλλον για ιατρικές συσκευές σε επαφή με το δέρμα). Οι μηχανικοί πρέπει να μοντελοποιήσουν το θερμικό προφίλ της συσκευής υπό συνθήκες φόρτισης και συγκομιδής και ενδέχεται να χρειαστεί να ενσωματώσουν υλικά διασπειρόμενα στη θερμότητα ή στοιχεία αλλαγής φάσης για τη διαχείριση των θερμών σημείων.

Η είσοδος νερού και ιδρώτα αποτελεί μόνιμη πρόκληση για κάθε φορητή συσκευή που βασίζεται στην πιεζοηλεκτρική ή θερμοηλεκτρική συγκομιδή μπορεί να έχει ανοίγματα ή αεραγωγούς που θέτουν σε κίνδυνο την IP της. Όλα τα συστατικά της συλλογής ενέργειας και ασύρματης φόρτισης πρέπει να σφραγίζονται από την υγρασία, επιτρέποντας παράλληλα στα φυσικά φαινόμενα (δονήσεις, βαθμονομήσεις θερμοκρασίας, μαγνητικό πεδίο) να φτάσουν στα ενεργά στοιχεία. Αυτό απαιτεί συχνά νέες στρατηγικές εγκιβωτισμού, όπως ενώσεις ποτ, φραγμοί λεπτής ταινίας, ή ερμητικά περιβλήματα.

Ο συντελεστής και η άνεση των μορφοτύπων δεν μπορούν να θυσιαστούν για την καινοτομία του συστήματος ισχύος. Μια μπαταρία που διαρκεί τρεις ημέρες αλλά κάνει τη συσκευή διπλά πιο παχιά είναι απίθανο να υιοθετηθεί. Οι μηχανικοί πρέπει να εργαστούν σε στενή συνεργασία με τους βιομηχανικούς σχεδιαστές και τους κλινικόυς τελικούς χρήστες για να εξασφαλίσουν ότι οι βελτιώσεις του συστήματος ισχύος μεταφράζονται σε οφέλη πραγματικού κόσμου, όχι μόνο θεωρητικά οφέλη.

Μελλοντικές Προοπτικές και το Μονοπάτι Εμπρός

Η αναζήτηση για μια πραγματικά όλη την ημέρα τεχνητή πηγή ενέργειας πάγκρεας είναι μια διεπιστημονική προσπάθεια που καλύπτει την επιστήμη υλικών, ηλεκτρολόγος μηχανικός, βιοϊατρική μηχανική, και ρυθμιστική επιστήμη. Καμία ενιαία τεχνολογία είναι πιθανό να παρέχει μια πλήρη λύση? αντ 'αυτού, τα πιο επιτυχημένα συστήματα θα ενσωματώσει πολλαπλές προσεγγίσεις σε μια ολιστική αρχιτεκτονική εξουσίας.

Ένα εύλογο κοντινό σενάριο για την επόμενη γενιά συσκευών είναι ένα υβριδικό σύστημα που συνδυάζει μια μικρή μπαταρία στερεάς κατάστασης για την αρχική ισχύ, έναν υπερκαπάκιτορα για φορτία αιχμής, και ένα επαγωγικό ασύρματο σύστημα φόρτισης που επιτρέπει στον χρήστη να φορτίζει τη συσκευή για 15 έως 30 λεπτά την ημέρα κατά την εκτέλεση άλλων δραστηριοτήτων. Η συλλογή ενέργειας από κίνηση σώματος ή θερμότητα θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως συμπληρωματικό up, επεκτείνοντας το διάστημα μεταξύ υποχρεωτικών συνεδριών φόρτισης από μία ημέρα σε τρεις ή τέσσερις ημέρες.

Τα κύτταρα βιοκαυσίμου που αντλούν ενέργεια απευθείας από τη γλυκόζη του σώματος θεωρητικά θα μπορούσαν να παρέχουν συνεχή ισχύ για εβδομάδες ή μήνες χωρίς εξωτερική φόρτιση. Εμφύτευση πιεζοηλεκτρικές θεριστικές μηχανές που συλλαμβάνουν ενέργεια από την καρδιά που χτυπάει ή την κίνηση των σκελετικών μυών θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν πλήρως εσωτερικά τεχνητά συστήματα πάγκρεας που δεν απαιτούν καθόλου εξωτερικά συστατικά. Ενώ αυτές οι ιδέες παραμένουν στο εργαστηριακό στάδιο, δείχνουν προς ένα μέλλον στο οποίο το τεχνητό πάγκρεας είναι πραγματικά αυτοσυντήρητο.

Οι οργανισμοί όπως η JDRF[] και η Αμερικανική Ένωση Διαβήτη έχουν χρηματοδοτήσει έρευνα σε πρώιμο στάδιο σε συστήματα ισχύος για συσκευές διαβήτη, ενώ εταιρείες όπως η Medtronic και η Insulet συνεχίζουν να προωθούν τα όρια του σχεδιασμού εμπορικών προϊόντων. Εν τω μεταξύ, η FDA] έχει δημοσιεύσει καθοδήγηση σχετικά με την ασφάλεια και τις προσδοκίες απόδοσης για επαναφορτιζόμενες ιατρικές συσκευές, παρέχοντας μια σαφή ρυθμιστική οδό για καινοτόμους.

Μια συσκευή που πρέπει να επαναφορτίζεται κάθε 12 ώρες αλλά επιτυγχάνει εξαιρετικό γλυκαιμικό έλεγχο μπορεί να είναι λιγότερο ελκυστική από μια λύση που τρέχει για τρεις ημέρες με ελαφρώς λιγότερο ακριβή έλεγχο. Η εύρεση της σωστής ισορροπίας μεταξύ της αξιοπιστίας της ισχύος, του μεγέθους της συσκευής, της ευκολίας του χρήστη, και της κλινικής απόδοσης απαιτεί συνεχή διάλογο με τους ανθρώπους που φορούν αυτές τις συσκευές κάθε μέρα. Το ΊδρυμαdiaTribe και άλλες ομάδες υπεράσπισης ασθενών παρέχουν ανεκτίμητα φόρουμ για αυτή την ανταλλαγή, εξασφαλίζοντας ότι οι φωνές των ανθρώπων που ζουν με διαβήτη καθοδηγούν τις μηχανικές αποφάσεις που διαμορφώνουν τη θεραπεία τους.

Καθώς το τεχνητό πάγκρεας συνεχίζει να εξελίσσεται από μια ερευνητική έννοια σε μια mainstream θεραπεία, η πηγή ενέργειας θα παραμείνει ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό που καθορίζει αν η συσκευή επιτυγχάνει ή αποτυγχάνει στη χρήση σε πραγματικό κόσμο. Με τις καινοτόμες προσεγγίσεις που βρίσκονται τώρα υπό ανάπτυξη&mdash?Από τη συλλογή ενέργειας και ασύρματη φόρτιση σε προηγμένες μπαταρίες και ευφυή διαχείριση ενέργειας&mdash?Ο στόχος ενός πραγματικά όλη την ημέρα, χωρίς ταλαιπωρία τεχνητό πάγκρεας κινείται σε απόσταση. Ο συνδυασμός της μηχανικής δημιουργικότητας, αυστηρή δοκιμή ασφάλειας, και ο ασθενής-κεντρικός σχεδιασμός θα παραδώσει τελικά με την υπόσχεση της αυτοματοποιημένης παράδοσης ινσουλίνης που απελευθερώνει πραγματικά τους ανθρώπους από τη συνεχή επιβάρυνση της διαχείρισης του διαβήτη.