مرز بعدی: قدرت بی سیم برای دستگاه های دیابت قابل کاشت

دیابت بیش از ۵۰۰ میلیون نفر در سراسر جهان را تحت تاثیر قرار می دهد و برای بسیاری از افراد مبتلا به دیابت نوع ۱ یا پیشرفته ۲، استاندارد مراقبت به طور فزاینده شامل فن آوری های قابل ایمپلنت است - مانیتورهای گلوکز ثابت، پمپ های انسولین و سیستم های پزشکی مصنوعی حلقه بسته، این دستگاه ها زندگی را نجات می دهند و کنترل گلیسمیک را بهبود می بخشند، اما همه آنها محدودیت اساسی را به اشتراک می گذارند: یک باتری های تغذیه سنتی نیاز به جایگزینی هر دهه ای دارند که باعث می شوند، و این مواد ایمنی بدن آسیب پذیر هستند (و این دستگاه های پیشرفته).

زمینه انتقال قدرت بی سیم در دستگاه های پزشکی

مفهوم انتقال انرژی بدون سیم به آزمایش های نیکولا تسلا در اواخر قرن نوزدهم برمی گردد.در پزشکی مدرن، WPT اولین بار در دستگاه هایی مانند کاشت های کولار و سرعت های قلبی یافت شد که در آن سیم پیچ های همراه به طور قابل هضم قدرت را در سراسر پوست انتقال می دهند. اصل اساسی شامل یک سیم پیچ اولیه (انتقال دهنده بیرونی) تولید یک میدان مغناطیسی متناوب است که در حال حاضر یک گیرنده ثانویه در این سیم پیچ و خم می باشد.

تکامل از Inductive به Resonantgang

سیستم های اولیه ایمپلنت از اتصال آسان در فرکانس های پایین (معمولا 100-200 kHz) استفاده کردند، در حالی که در فواصل کوتاه موثر است، بهره وری به شدت کاهش یافت هنگامی که کویل ها توسط بیش از چند میلی متر خنثی یا جدا شده بودند - این محدودیت باعث توسعه سیستم های انتقال غیر معمول می شود.

چرا WPT برای مدیریت دیابت مهم است

دستگاه های دیابت تقاضای منحصر به فرد قدرت را اعمال می کنند. مانیتورهای گلوکز مداوم (CGMs) ده ها تا صدها میکرووات را برای سنجش و انتقال بی سیم ترسیم می کنند. پمپ های انسولین نیاز به میلی وات برای موتور و کنترل الکترونیک دارند. سیستم های پانکراس بسته شده شامل هر دو، با ارتباطات realLT بین سنسورها و پمپ ها.comable CGMs (به عنوان مثال، Everense) باید یک فرستنده خارجی را جایگزین کنند که به طور کامل توسط سیستم عامل پردازش شده است؛ بدون استفاده از بین بردن کامل، به طور کامل جایگزینی می شود.F.

نوآوری های اخیر در WPT برای دستگاه های دیابت

پنج سال گذشته شاهد افزایش پیشرفت های مهندسی بوده است که به محدودیت های خاص دستگاه های دیابت قابل ایمپلنت شده است: عامل فرم کوچک، کاشت عمیق (زیر پوستی یا داخل داخلی)، تحمل ناسازگاری و محدودیت های ایمنی دقیق در گرمایش بافت.

Resonant Inductive Fusion با Adaptive Tuning

سیستم های سنتی resonant در فرکانس ثابت عمل می کنند، اما تغییرات در عمق ایمپلنت، خواص بافت، یا تراز سیم پیچ می تواند مدار را تخریب کند و بهره وری را کاهش دهد. Adaptive تنظیم بدون نظارت دقیق در تراز اتصال به طور پویا تنظیم فرکانس عملیاتی یا پارامترهای شبکه مطابقت.

Resonance Fusion برای ایمپلنت های عمیق تر

در حالی که اتصال نزدیک به میدان به خوبی برای دستگاه های فرعی ( عمیق 5 تا 15 میلی متر)، ایمپلنت های عمیق تر (به عنوان مثال، پمپ های انسولین داخل وریدی) نیاز به انتقال قدرت متوسط (FLT:0 mt2٪) با انتقال قابل قبول از طریق سیستم های انتقال اسید آمینه (FLT 1) گزارش شده است دو یا بیشتر که به شدت از هم جدا می شوند، هنگامی که توسط چندین سیستم انتقال قدرت سیم پیچ و خم شده است (F2٪).

مینیاتوریزه شده طراحی های کویل و زیرمجموعه های انعطاف پذیر

اندازه کویل دریافت به طور مستقیم تعیین کننده اثرات ایمپلنت.(FLT:03D-printed micro-coils و اثر اخیر در PCB زیرکانه کویل های انعطاف پذیر را به عنوان کوچک 5× 5 میلی متر در حالی که حفظ عوامل کیفیت بالاتر از 50 در دانشگاه کالیفرنیا، کاهش می دهد که یک سیم پیچ ثابت شده در 6W 6×

مدیریت قدرت سازگار و کنترل کننده های ایمنی

قدرت بی سیم باید به دقت تنظیم شود تا از حد حرارت بافت (میزان جذب خاص، SAR) سیستم های ایمپلنت مدرن (FLT:0) کنترل قدرت حلقه نزدیک جلوگیری شود؛ ایمپلنت اندازه ولتاژ دریافت شده خود را اندازه می گیرد و سیگنال برگشت به شارژر خارجی را منتقل می کند، که قدرت خروجی را برای حفظ ولتاژ هدف تنظیم می کند اگر بافت تماس یا ذخیره سازی باتری به طور خودکار کاهش دهد، در برابر کنترل کننده های ذخیره سازی داخلی، همچنین می تواند خاموش شود.

جایگزین های صوتی و نوری

در حالی که الکترومغناطیسی WPT غالب است، دو روش جایگزین برای موارد خاص استفاده می کنند انتقال قدرت فوق العاده صوتی از مبدل های پیزوالکتریک برای انتقال انرژی از طریق بافت با کاهش سرعت پایین تر از امواج الکترومغناطیسی در عمق = 3 /5 سانتی متر استفاده می کند، سونوگرافی می تواند انتقال قدرت عملی بدون مسائل گرمایش RF را بررسی کند.[۳]

مزایای مدیریت دیابت

تاثیر بالینی و کیفیت زندگی دستگاه های دیابت قابل کاشت WPT را نمی توان بیش از حد مشخص کرد. بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 به طور متوسط 180 انگشت است و تزریق انسولین 100+ در ماه می تواند این بار را به طور چشمگیری کاهش دهد.

حذف جایگزین های باتری

سیستم های فعلی CGM (به عنوان مثال Eversense XL) نیاز به جایگزینی سنسور در هر 90 تا 180 روز از طریق یک روش جراحی جزئی دارند، در حالی که کمتر تهاجمی از تعویض کامل باتری است، این مداخلات مکرر خطر و هزینه های جراحی را افزایش می دهد و یک ایمپلنت بی سیم با باتری های قابل شارژ کوچک یا سوپر خازن می تواند بدون جایگزینی دوام بیاورد.

نظارت مداوم، زمان واقعی و درمانی

با یک منبع قدرت قابل اعتماد، دستگاه های قابل ایمپلنت می توانند بدون وقفه 24/7 عمل کنند. [۵] این بدان معنی است که خواندن گلوکز مداوم هر ۱ تا ۵ دقیقه، حتی در هنگام خواب یا ورزش، با دقت بالا، زیرا سنسور در یک محیط پایدار بین مرحله ای پایدار باقی می ماند.[۱] سیستم های حلقه بسته می توانند بلافاصله به نوسانات گلوکز پاسخ دهند، تنظیم انسولین بدون شکاف های ورودی بیمار با هیپوگلیسمی، این انتقال مداوم عمر (F) را تضمین می کند.

ایمپلنت های کوچک تر و راحت تر

باتری ها می توانند 50 تا 70 درصد حجم ایمپلنت را اشغال کنند. WPT به طراحان اجازه می دهد تا دستگاه را به اندازه کپسول ویتامین یا دانه برنج کاهش دهند. ایمپلنت های کوچک تر باعث آسیب بافت کمتری می شوند، سریعتر بهبود می یابند و کمتر قابل توجه برای بیمار هستند؛ آنها همچنین می توانند در مکان های مطلوب تر آناتومیک قرار گیرند - مانند بافت زیر برش بازوی بالا یا شکم، با حداقل اثر پوکی استخوان های نازک، بنابراین برخی از طریق سیم پیچ و مهره های نازک می توانند در برخی از طریق چسب های نازک قرار گیرند.

بیمار بزرگ تر و سازگاری

تصور کنید یک بیمار دیابتی که هرگز مجبور به تغییر یک فرستنده، حذف پچ یا وصل شدن در کابل شارژ با WPT نیست، شارژ می تواند به طور خودکار هر زمان که بیمار نزدیک به یک پد شارژ است - که در زیر بالش تخت قرار دارد، در یک صندلی ماشین، یا حتی یکپارچه به سیستم های لباس، نشان می دهد که " شارژ در بدن" که در آن ایمپلنت شارژ می شود در حالی که بیمار می تواند وزن بالا را بهبود دهد.

چالش ها و مسیرهای آینده

علی رغم پیشرفت قابل توجه، موانع قابل توجه قبل از کاشت دیابت مبتنی بر WPT به جریان اصلی تبدیل می شوند.این دامنه های فنی، بیولوژیکی، نظارتی و تجاری.

ایمنی: گرمایش بافت و انطباق با

مهم ترین چالش این است که اطمینان حاصل کنید که میدان های الکترومغناطیسی که برای انتقال قدرت استفاده می شوند، باعث گرمای بیش از حد یا سایر اثرات بیولوژیکی نمی شوند.کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده و کمیسیون بین المللی در مورد حفاظت از اشعه غیر تحریک کننده محدودیت های شدید در میزان جذب خاص (SARLT)، به طور معمول 1.6 W /kg بیش از 1 گرم از 2 / 2 / 10 مطالعه برق مورد نیاز برای پمپ های حرارتی (50-F) را افزایش می دهد، اما نشان می دهد که به اندازه کافی است.

قابلیت بهره وری و تحمل بد

در استفاده از دنیای واقعی، شارژر خارجی همیشه نمی تواند کاملا با سیم پیچ کاشته شده هماهنگ شود. بیمار در خواب خود حرکت می کند، بازوها را پیچ می کند یا شارژر را در عمق زاویه ای قرار می دهد که به طور قابل توجهی با سوء استفاده از آن کاهش می یابد؛ یک تغییر 10 میلی متری می تواند انتقال قدرت را کاهش دهد.FLT:0 فرستنده های فاز-ar-ray 2024 [F] [F اطلاع رسانی و پیکربندی مغناطیسی [F=multi]

قابلیت اطمینان و قابلیت اطمینان طولانی مدت

تمام اجزای ایمپلنت –coils، خازن ها، Rectifiers و مدارهای کنترل – باید به طور تئوریود مهر و موم شده و سازگار با زیست ثابت شده برای سال های کاشت مواد مانند تیتانیوم، سیلیکون پزشکی درجه 1، و شفافیت سرامیک دارای تاریخچه طولانی، اما مواد هسته مغناطیسی با کارایی بالا (استفاده از سیم پیچ در اسکر) نیاز به آزمایش گسترده برای اطمینان از اینکه آنها را به تجزیه و یا پوشش های فسیلی سمی است.

مسیر های تنظیم کننده و استانداردها

هیچ دستگاه دیابت ایمپلنت FDA که در حال حاضر از WPT به عنوان منبع اصلی قدرت خود استفاده می کند، مسیر تنظیمی نیاز به آزمایش جامع سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، مداخله فرکانس رادیویی (RFI) با سایر دستگاه های کاشته شده (به عنوان مثال، سرعت سنج)، و مطالعات طولانی مدت حیوانات، به منظور نهایی کردن یک استاندارد جدید (RFI) است (RFI) اصلاحات خاص برای توسعه دستگاه های WP2، اما ممکن است به آن نیاز به 2026.

مسیرهای آینده: شارژ Ubiquitous و Beyond

چندین جهت تحقیقاتی هیجان انگیز می تواند سرعت بخشیدن به تصویب بالینی (FLT:0) اینورترهای خود-تونتونی مجدد را تسریع کند که به طور خودکار بارهای مختلف بافت را جبران می کنند ممکن است به استاندارد تبدیل شوند. برداشت انرژی از منابع فیزیولوژیکی [FLT3] - مانند حرکت بدن، گرادیان حرارتی یا حتی گلوکز (سلول های سوخت زیستی) - می تواند مکمل های انتقال دهنده سریع تر و فیبرهای باتری را با استفاده از طریق سیستم های انتقال کوچک تر کاهش دهد.

نوآوری در انتقال برق بی سیم آماده تغییر اساسا چشم انداز مدیریت دیابت قابل ایمپلنت است، با آزاد کردن بیماران از ظلم باتری ها و جایگزینی های جراحی، WPT واقعا مراقبت مداوم و حداقل تهاجمی را فعال می کند، در حالی که چالش ها باقی می مانند - به ویژه در ایمنی، بهره وری و مقررات - سرعت پیشرفت است سرعت زندگی میلیون ها با دیابت، وعده یک دستگاه به طور کامل ایمپلنت، و بی سیم است که به سرعت حل می شود؛ و مهندسی قند است؛ هیچ گونه مشکل مهندسی مستقل از آن نیست.

برای مطالعه بیشتر، راهنمایی FDA را در مورد دستگاه های پزشکی بی سیم ، استانداردهای IEEE برای تکمیل قابلیت ، و مقالات بررسی اخیر در آندی از مهندسی زیست پزشکی [FLT5:5:5:5] مشورت کنید.