چالش قدرت در تکنولوژی دیابت نسل بعدی

پانکراس مصنوعی که اغلب به عنوان یک سیستم تحویل انسولین حلقه بسته نامیده می شود، نشان دهنده یکی از مهمترین پیشرفت های مدیریت دیابت نوع 1 است. این دستگاه ها یک مانیتور گلوکز مداوم (CGM)، یک پمپ انسولین و یک الگوریتم کنترل برای تنظیم انسولین به طور خودکار بر اساس خواندن قند خون در زمان واقعی است.

بر خلاف تلفن های هوشمند یا لپ تاپ که می تواند در طول شب به پایین یا شارژ شود، یک پانکراس مصنوعی باید در اطراف ساعت کار کند.یک شکست قدرت، حتی یک میانبر، می تواند تحویل انسولین یا نظارت بر گلوکز را مختل کند، که منجر به نوسانات قند خون خطرناک می شود و این نیاز منبع برق را از یک راحتی ساده به یک جزء ایمنی بحرانی تبدیل می کند.

راه حل های فعلی قدرت و محدودیت های آنها

اکثر سیستم های پانکراس مصنوعی موجود تجاری به باتری های قابل شارژ لیتیوم-یون یا لیتیوم-پلیپلیم وابسته هستند، این منابع قدرت به خوبی درک شده و به طور گسترده در الکترونیک مصرف کننده مورد استفاده قرار می گیرند، و تعادل معقولی بین چگالی انرژی، وزن و هزینه ارائه می دهند، با این حال، چندین محدودیت ذاتی زمانی آشکار می شوند که این باتری ها در یک دستگاه پزشکی که باید به طور مداوم کار کنند، به کار می روند.

اندازه باتری و فرم فاکتور

باتری های لیتیوم یون مناسب برای قدرت هر دو گیرنده CGM، یک موتور پمپ و یک رادیو بلوتوث برای انتقال داده ها به طور معمول اندازه گیری چندین سانتی متر در سراسر.این عمده محدودیت در طراحی دستگاه را اعمال می کند، تولید کنندگان باید یا دستگاه های بزرگتر را بسازند که باتری های بزرگتر را در اختیار دارند یا زمان های کوتاه تر را قبول می کنند.

Recharging frequency و User Burden

در عمل، بسیاری از دستگاه های پانکراس مصنوعی فعلی نیاز به شارژ هر 12 تا 24 ساعت، بسته به الگوهای استفاده، قدرت اتصال بلوتوث و فرکانس تحویل انسولین دارند.با این حال کاربر نیاز به یادآوری یک دستگاه پزشکی در هر روز دارد و برنامه ریزی در اطراف آن پنجره شارژ، دوباره یک نوع از بار شناختی را که فن آوری به دنبال از بین بردن شارژ شبانه است، به ویژه اگر دستگاه هشدار دهنده و یا دستگاه خواب نباشد، می تواند در هنگام شارژ کردن زنگ خطر باشد.

کاهش باتری در طول زمان

باتری های لیتیوم یون ظرفیت خود را با هر چرخه شارژ از دست می دهند، در طول عمر معمولی دو تا چهار ساله، یک باتری ممکن است به 70 یا 80 درصد ظرفیت اصلی خود کاهش یابد، به این معنی که تجربیات کاربر به طور مداوم کوتاه تر اجرا می شود؛ این تخریب می تواند با قرار گرفتن در معرض گرما بدن، تخلیه های مکرر عمیق و ترفند دائمی شارژ معمولی دستگاه های پوشیدنی تسریع شود، و در نهایت باید جایگزین یک دستگاه شود و یا نیاز به بازگشت یک دستگاه و یا بازگشت به یک دستگاه و یا دستگاه درمانی داشته باشد.

نگرانی های ایمنی در پایان هزینه

هنگامی که یک باتری لیتیوم یون به کاهش سرعت می پردازد، دستگاه باید قدرت را حفظ کند در حالی که هنوز هم عملکردهای حیاتی را حفظ می کند. بسیاری از سیستم ها حالت های کم قدرت را پیاده سازی می کنند که فرکانس نمونه گیری CGM را کاهش می دهد، قدرت انتقال بلوتوث را تضعیف می کند یا هشدارهای غیر ضروری را غیرفعال می کند، در حالی که این اقدامات زمان را گسترش می دهد، می توانند عملکرد دقیق را کاهش دهند، زمانی که کاربر ممکن است به دستگاه ویموزمدازد؛ در حالی که در طول زمان کامل از آن استفاده کند.

رویکردهای نوآورانه برای قدرت دادن به دستگاه های Pancreas مصنوعی

با شناخت محدودیت های باتری های معمولی، محققان و مهندسان به دنبال چندین استراتژی جدید برای قدرت سیستم های پانکراس مصنوعی هستند، این روش ها هدف کاهش یا از بین بردن نیاز به شارژ خارجی، کاهش اندازه دستگاه و بهبود قابلیت اطمینان برای استفاده واقعی تمام روزه و روزمره است.

۱- برداشت انرژی از بدن

فناوری برداشت انرژی انرژی انرژی را از بدن یا محیط کاربر جذب می کند و آن را به قدرت الکتریکی تبدیل می کند.برای دستگاه های پزشکی پوشیدنی، امیدوار کننده ترین روش های برداشت در منابعی که به طور طبیعی و به طور مداوم در دسترس هستند.

برداشت انرژی الکتریکی بر موادی متکی است که شارژ الکتریکی را تولید می کنند، در یک زمینه پوشیدنی، حرکت راه رفتن، حرکت بازو یا حتی گسترش و انقباض قفسه سینه در طول تنفس می تواند برداشت شود. محققان فیلم های انعطاف پذیر Pizoالکتریک را توسعه داده اند که می تواند به داخل پمپ یا انتقال دهنده اصلی که می تواند یک برش و یا یک برش الکتریکی را تولید کند، به طور معمول تولید کند.

برداشت انرژی الکتریکی از تفاوت دما بین پوست (تقریبا 32 &ndash؛35 °؛ C) و محیط محیط زیست بهره می برد، دیزل ژنراتورهای (TEGs) که در برابر پوست قرار می گیرند می توانند مقدار کمی از برق تولید کنند، هر زمان که گراد یک فرد در یک اتاق نشسته باشد، در حالی که مقدار کافی است، و یا مقدار کمی از میکروG را به خوبی تنظیم می کند.

سلول های سوخت Bio نشان دهنده یک رویکرد رادیکال تر است: آنها تولید برق به طور مستقیم از واکنش بیوشیمیایی در بدن.برای مثال، سلول های سوختی آنزیمی می توانند انرژی را از گلوکز در مایع بین المللی یا جریان خون جذب کنند، این مفهوم به ویژه برای یک پانکراس مصنوعی بسیار ظریف است زیرا دستگاه در حال حاضر دسترسی به داده ها دارد و می تواند از لحاظ تئوری جلوگیری از سوخت های اولیه را در طول عمر اندازه گیری کند که می تواند مقدار قابل اطمینان از مقدار 1 هفته های فسیلی را در طول عمر را در آن را به طور خاص ثابت کند.

۲- انتقال قدرت بی سیم و شارژ از راه دور

فن آوری های انتقال برق بی سیم (WPT) دستگاه ها را قادر می سازد بدون اتصال فیزیکی به منبع برق شارژ شوند.برای یک پانکراس مصنوعی، این می تواند به معنای شارژ در حالی که کاربر خواب، نشستن در یک میز، یا حتی درایو، بدون نیاز به حذف دستگاه یا دسترسی به پورت شارژ.

اتصال گیرنده مجدد بالغ ترین روش WPT است. آن را با استفاده از میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک سیم پیچ در یک پد شارژ برای ایجاد جریان در یک سیم پیچ متناظر در داخل دستگاه اتصال، این رویکرد در حال حاضر بسیاری از پوشیدنی های مصرف کننده و ایمپلنت های پزشکی است.

] قدرت بی سیم میدان [ با استفاده از فرکانس رادیویی (RF) انرژی یک رویکرد جاه طلبانه تر است. فرستنده های فعال در باندهای ISM (به عنوان مثال، 915 مگاهرتز یا 2.4 گیگاهرتز) می توانند برق را در مسافت های چند میلی متری افزایش دهند. آنتن دریافت شده در دستگاه برداشت بخشی از انرژی RF و بازیافت را کاهش دهند، در حالی که به طور معمول می توان آن را به عنوان یک فرکانس های کم و مقادیر قابل دسترسی (به عنوان یک فرکانس های الکتریکی) انتقال می دهد.

انتقال قدرت مافوق صوت از امواج صوتی برای انتقال انرژی از طریق بافت و هوا استفاده می کند، این روش برای دستگاه های پزشکی عمیقا ایمپلنت شده مورد بررسی قرار می گیرد، اما همچنین می تواند به سیستم های پوشیدنی نفوذ کند و سونوگرافی پوست به عنوان یک پچ فلزی و آب (sweat) به طور موثر از میدان مغناطیسی منتقل می شود، و نیازی به هماهنگی دقیق نیست.

۳- پیشرفته Battery Chemistries و Storage Technologies

حتی با برداشت انرژی و قدرت بی سیم، اکثر سیستم ها هنوز هم به یک عنصر ذخیره سازی انرژی محلی برای بافر کردن قدرت در طول دوره های تقاضای بالا نیاز دارند (به عنوان مثال، هنگامی که موتور پمپ به طور فعال یک بولوس را تحویل می دهد) یا زمانی که شرایط برداشت، بهبود عنصر ذخیره سازی به خودی خود یک مسیر حیاتی دیگر است.

] باتری های دولت-Solid جایگزین مایع یا الکترولیت ژل موجود در سلول های لیتیوم یون معمولی با یک سرامیک جامد یا الکترولیت پلیمر جامد است، این طراحی ارائه می دهد مزایای مختلف برای پوشیدنی های پزشکی: چگالی انرژی بالاتر (به طور بالقوه 2 &ndash؛3 بار که از لیتیوم یون)، هیچ خطر نشت الکترولیت، و یک دستگاه های حرارتی گسترده تر است که من به طور خاص با توجه به برخی از مزایای استفاده از آن، به عنوان یک از مزایای استفاده از مواد مخدر، به طور خاص، به عنوان یک از باتری های ایمنی جامد، به عنوان یک از مواد مخدر، به طور خاص، به عنوان یک سیستم ایمنی غیر قابل استفاده می کنم.

باتری های فیلم پشت یک نوع دیگر است که متناسب با محیط آموزش دیده فضای دستگاه پوشیدنی است.با استفاده از تکنیک های رسوب بخار، تولید کنندگان می توانند باتری را با ضخامت اندازه گیری شده در میکرومترها، این فیلم ها را می توان به طور مستقیم بر روی مدار دستگاه یا حتی بر بستر های انعطاف پذیر ذخیره سازی ذخیره سازی شده، به طراحان باتری اجازه می دهد تا به شکل کوچک تر از کل ذخیره سازی قطعات ذخیره سازی قطعات انرژی، ذخیره سازی شده، ذخیره سازی شده، استفاده کنند.

سوپر خازنها جایگزین باتری برای ذخیره سازی انرژی کوتاه مدت را پیشنهاد می دهند، آنها می توانند انفجارهای بالا از قدرت را بسیار سریع و سریع ارائه دهند؛ برای لحظه ای که یک موتور پمپ انسولین شروع به توسعه می کند و آنها می توانند شارژ شوند و صدها هزار بار بدون تخریب یک سیستم ذخیره سازی انرژی هیبریدی، سرعت بالای باتری را افزایش می دهد و یا سرعت بارگذاری یک سرعت بالا را برای کاهش سرعت بالا را برای سرعت بالا می دهد.

۴- مدیریت قدرت و طراحی کم قدرت

فراتر از منبع قدرت، چگونه دستگاه مدیریت و مصرف انرژی به همان اندازه مهم است.دستاوردهای قابل توجهی می توانند از طریق الگوریتم های مدیریت انرژی هوشمند و انتخاب جزء به دست آورند.

نمونه گیری و انتقال انطباق یک چنین استراتژی است، به جای نمونه گیری گلوکز در نرخ ثابت بالا (به عنوان مثال، هر دقیقه)، این دستگاه می تواند به طور پویا فرکانس نمونه برداری خود را بر اساس نرخ انتقال قند خون تنظیم کند.هنگامی که سطح گلوکز پایدار است، CGM ممکن است هر پنج دقیقه نمونه و داده ها را در حد متوسط افزایش دهد، و یا به سرعت افزایش می تواند سرعت سیستم کنترل آن را کاهش دهد.

حالت های خواب و محرک های بیداری اجازه می دهد دستگاه به قدرت سیستم های غیر بحرانی در طول دوره های فعالیت کم است، به عنوان مثال، رادیو بلوتوث، که اغلب یکی از بزرگترین مصرف کنندگان برق است، می تواند در حالت خواب عمیق بین انتقال داده های برنامه ریزی شده قرار گیرد. سنسور CGM، کنترل کننده پمپ، و پردازنده به طور مشابه می تواند وارد سیستم های شارژ شده (به طور فعال در یک دستگاه هشدار دهنده زمان واقعی) و یا یک نوار ذخیره شده است.

پیاده سازی الگوریتم کارآمد انرژی نیز مهم است. الگوریتم کنترل که نرخ تحویل انسولین را محاسبه می کند می تواند در محاسبات ثابت نقطه در یک میکروکنترل کننده کم قدرت به جای یک سیستم کنترل کلید در تنظیمات سیگنال دیجیتال قدرت اجرا شود. محققان نشان داده اند که یک محاسبه متناسب با گیرنده (IDP) یا یک مدل کنترل کننده پیش بینی شده (هنوز هم می تواند یک روش های کلیدی در اندازه گیری دقیق را با استفاده از میکروکنترل کننده کلید در تنظیمات 100 را اجرا کند.

ایمنی و ملاحظات نظارتی برای سیستم های قدرت جدید

معرفی یک تکنولوژی جدید قدرت به یک دستگاه پزشکی، به ویژه یک که به طور مستقیم کنترل تحویل انسولین را کنترل می کند، نیاز به اطمینان دقیق ایمنی و تایید قانونی دارد. اداره غذا و داروی ایالات متحده (FDA) و نهادهای بین المللی مانند کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک (IEC) استانداردهایی برای تجهیزات الکتریکی پزشکی، از جمله ایمنی باتری، سازگاری الکترومغناطیسی و مدیریت ریسک ایجاد کرده اند.

برای سیستم های برداشت انرژی، عدم پیش بینی منبع انرژی یک لایه جدید از پیچیدگی را معرفی می کند.این دستگاه باید به طور ایمن طراحی شود، حتی زمانی که شرایط برداشت ضعیف و بی خطر است؛ به عنوان مثال، اگر کاربر برای چندین ساعت بی تحرک است.

برای انتقال برق بی سیم، نگرانی های ایمنی در مرکز گرمایش بافت و قرار گرفتن در معرض میدان الکترومغناطیسی، میزان جذب خاص (SAR) باید رضایت داشته باشد تا اطمینان حاصل شود که انرژی اولتراسونیک RF یا اولتراسونیک باعث آسیب حرارتی نمی شود. سیستم های شارژ غیر قابل قبول در فرکانس های زیر 1 مگاهرتز معمولاً خطر فعلی، اما سیستم های RF بسیار دور در فرکانس های طراحی دقیق و محدود کردن سیستم های تست برق و استاندارد های معتبر برای چنین سیستم های برق و محدودیت های معتبر برای تنظیم شده در سیستم های برق و محدودیت های استاندارد های برق و محدودیت های استاندارد های استاندارد های استاندارد های استاندارد های استاندارد های ایمنی خانواده و محدودیت های استاندارد های استاندارد های استاندارد های معتبر برای اندازه گیری برق و محدودیت های استاندارد های استاندارد های استاندارد های استاندارد های استاندارد های معتبر برای اندازه گیری در نظر می دهد.

] برای شیمی دانان باتری پیشرفته [ ، ضعف و سمیت همچنان نگرانی های کلیدی هستند. باتری های جامد- دولتی ذاتا امن تر از باتری های الکترولیت مایع هستند ، اما آنها هنوز باید آزمایش دقیق برای مدار کوتاه ، اضافه شیمی دان و شرایط سوراخ.

چالش های ادغام و طراحی سیستم-Level

اتخاذ یک منبع برق جدید به سادگی یک ماده مبادله یک باتری برای دیگری نیست.کل معماری دستگاه باید با سیستم قدرت در ذهن طراحی شود.

مدیریت برق مهم تر می شود زمانی که اجزای برداشت انرژی گرما تولید می کنند یا هنگامی که شارژ بی سیم باعث جریان های eddy در قطعات فلزی نزدیک می شود، دستگاه باید هر گرمای اضافی را بدون افزایش دمای پوست بالاتر از حد امن (معمولا یک 4 °؛ افزایش بالاتر از محیط برای دستگاه های تماس پزشکی در مهندسین پوست باید ترکیب کند و مواد دفع کننده و یا مواد دفع کننده را تحت شرایط امن.

] آب و عرق در حال حرکت یک چالش مداوم برای هر پوشیدنی است.یک دستگاه که بر روی برداشت پیزوالکتریک یا ترموالکتریک متکی است ممکن است باز یا خروجی هایی داشته باشد که امتیاز IP آن را به خطر می اندازد. همه اجزای برداشت انرژی و شارژ بی سیم باید در برابر رطوبت مهر و موم شوند در حالی که هنوز اجازه می دهد پدیده های فیزیکی (vibration، دما، شیب،) به عناصر فعال مانند این ترکیبات محفظه نیاز دارد.

عامل شکل و آسایش را نمی توان برای نوآوری سیستم قدرت قربانی کرد، باتری که سه روز طول می کشد، اما دستگاه را دو برابر ضخامت می کند، بعید است که مهندسان باید در همکاری نزدیک با طراحان صنعتی و کاربران بالینی برای اطمینان از اینکه سیستم برق به مزایای دنیای واقعی تبدیل می شود، کار کنند، نه فقط مطالعات نظری مبتنی بر مصرف کنندگان، اغلب اولویت های زندگی را در رتبه بندی های بالا برای افراد و اولویت های زندگی، اولویت های زندگی را دارند.

چشم انداز آینده و مسیر به جلو

تلاش برای یک منبع واقعا مصنوعی پانکراس یک تلاش چند رشته ای است که علم مواد، مهندسی برق، مهندسی زیست پزشکی و علوم نظارتی را در بر می گیرد.هیچ تکنولوژی منفرد احتمالاً راه حل کاملی را ارائه نمی دهد؛ به جای آن موفق ترین سیستم ها چندین رویکرد را در یک معماری جامع برق ادغام می کنند.

سناریوی نزدیک به مدت قابل قبول برای نسل بعدی دستگاه ها یک سیستم هیبریدی است که یک باتری کوچک جامد را برای قدرت پایه ترکیب می کند، یک سوپر خازن برای بارهای اوج و یک سیستم شارژ بی سیم است که به کاربر اجازه می دهد تا دستگاه را برای 15 تا 30 دقیقه در روز شارژ کند در حالی که انجام فعالیت های دیگر.

تحقیقات طولانی مدت در حال بررسی مفاهیم رادیکال تر است.سلول های سوخت زیستی که انرژی را مستقیما از گلوکز بدن جذب می کنند می توانند به طور تئوری قدرت مداوم را برای هفته ها یا ماه ها بدون هیچ شارژ خارجی فراهم کنند، در حالی که برداشت های پازوالکتریک کاشته شده که انرژی را از قلب ضرب و شتم یا حرکت عضلات اسکلتی جذب می کنند، می توانند سیستم های کاملا مصنوعی را به وجود آورند که هیچ جزء خارجی در همه این ایده ها در مرحله آزمایشگاهی باقی نمی ماند، که در واقع در مرحله ی آینده به سمت خود مصنوعی هستند.

همکاری بین دانشگاه ها، صنعت و سازمان های نظارتی برای غلبه بر موانع باقی مانده ضروری است.[۱] سازمان هایی مانند JDRF و انجمن دیابت آمریکا تحقیقات اولیه در سیستم های برق برای دستگاه های دیابت تامین می کنند، در حالی که شرکت هایی مانند Med Med Med وonicinletsu به دنبال حفظ مرزهای تجاری برای هدایت محصول هستند.

در نهایت، موفقیت هر راه حل قدرت با تاثیر آن بر نتایج بیمار مورد قضاوت قرار می گیرد (دستگاهی که باید هر 12 ساعت شارژ شود اما کنترل گلیسمیک عالی را به دست می آورد، ممکن است کمتر جذاب باشد از دستگاهی که برای سه روز با کنترل دقیق تر از آن اجرا می شود، پیدا کردن تعادل درست بین قابلیت اطمینان قدرت، اندازه دستگاه، گفتگو کاربر و عملکرد بالینی نیاز به ادامه دارد با افرادی که هر روز از طریق گروه های پشتیبانی می پوشند.

از آنجا که پانکراس مصنوعی همچنان از یک مفهوم تحقیقاتی به یک درمان اصلی تکامل می یابد، منبع قدرت یک ویژگی تعریف کننده باقی خواهد ماند که تعیین می کند آیا دستگاه موفق شده یا در استفاده از دنیای واقعی شکست می یابد یا با رویکردهای نوآورانه که در حال حاضر در حال توسعه ومداش هستند؛ از برداشت انرژی و شارژ بی سیم به باتری های پیشرفته و مدیریت هوشمند انرژی و مدیریت انرژی و کنترل آن؛ هدف از یک درمان واقعی، به طور واقعی بدون هیچ وجه ثابت در حال انتقال خلاقیت در حال حرکت است، و بدون نیاز به طور خودکار، و در حال حرکت است.