次世代糖尿病技術のパワーチャレンジ

人工膵臓は、しばしば閉鎖ループインシュリン送出システムと呼ばれ、タイプ1糖尿病管理における最も重要な進歩の1つです。 これらの装置は、連続グルコースモニター(CGM)、インシュリンポンプ、およびリアルタイム血糖値読み取りに基づいてインシュリン送出を自動的に調整するための制御アルゴリズムを組み合わせています。 糖尿病に住んでいる個人にとって、この技術は、一定の意思決定の負担を軽減し、血糖制御を改善することを約束します。 しかし、この機能が、これらは、夜間に自動で動作する機能が、これらに限定されません。

夜の間に電源を下回るか、充電することができるスマートフォンやラップトップとは異なり、人工膵臓は、クロックの周りに動作しなければなりません。 電力の故障、さらには簡単な1つでさえ、インシュリンの配達やグルコースの監視を中断し、危険な血糖変動につながることができます。 この要件は、電力源を簡単な利便性から重要な安全コンポーネントにシフトします。 これらのシステムは、より小さくなり、より身につけられるようになり、日々の生活にますますますますます統合され、すべての日の使用をサポートできる革新的なソリューションの必要性は、定期的なバッテリー交換やプライシングを優先的に行う必要があります。

パワーソリューションと限界

ほとんどの市販の人工膵システムは、リチウムイオンまたはリチウムポリマー充電式電池に依存しています。 これらの電源は、健康で耐久性があり、消費者電子機器で広く使用されているため、エネルギー密度、重量、およびコストの合理的なバランスを提供します。 しかし、これらの電池が継続的に動作しなければならない医療機器に配備されると、いくつかの本質的な制限が明らかになります。

電池のサイズおよび形態の要因

CGM受信機、ポンプモーター、およびデータ伝送のためのBluetoothのラジオの両方を動力として適したリチウムイオン電池は、通常、複数のセンチメートルを測定します。このバルクは、デバイス設計上の制約を課します。メーカーは、大きなバッテリーを収容したり、より短いランタイムを受け入れる大きなデバイスを構築する必要があります。ユーザーにとって、このトレードオフは、快適さ、裁量、およびウェアラビリティに直接影響を与えます。衣類の下で顕著なポンプや皮膚に重大を感じることは、非常に自動化された治療の利点の下にある一貫した使用を悪化させることができる。

頻度およびユーザーの負担を軽減

実際には、多くの現在の人工的な膵臓装置は使用パターン、Bluetoothの結合性強さおよびインシュリン配達の頻度に応じて12から24時間毎に再充電を要求します。ユーザーが毎日医療機器を充電し、充電窓を囲むように記憶し、技術が除去することを目的とした認知負荷の形態をreintroduces要求するユーザーを要求する。夜間充電は特に問題があることができます:デバイスが睡眠中に充電する必要がある場合は、充電セッションは安全であり、アラームを発音させることができない、またはアラームを発音する能力を装備します。

電池の分解は時間に過します

充電式リチウムイオン電池は、各充電サイクルで容量を失う。 典型的な2対4年デバイス寿命にわたって、バッテリーは元の容量の70または80パーセントに劣化する可能性があるため、ユーザーは進行方向に短いランタイムを経験します。 この劣化は、体熱、頻繁なディープディストリビューション、および摩耗可能なデバイスの典型的な一定のトリビュール充電にさらされることによって加速することができます。 結局、バッテリーは交換されなければならない、多くの場合、デバイスがメーカーまたは訪問された治療に戻って、デバイスが不便を中断または中断または中止される可能性がある。

充電終了時の安全上の懸念

リチウムイオン電池が枯渇に近づいた場合、デバイスは重要な機能を維持しながら電力を節約しなければなりません。 多くのシステムは、CGMサンプリング周波数を削減し、Bluetooth伝送電力を弱め、または非必須アラームを無効にする低電力モードを実装します。 これらの対策は、実行時間を拡張するが、ユーザーは、デバイスを最も必要とするかもしれないとき、または睡眠を遅らせるか、または血糖が既に不安定であるとき、または、パフォーマンスを劣化させる可能性があります。 したがって、使用目的の利便性全体にわたって完全な機能性を維持できる電源が、単に安全要件ではありません。

人工膵デバイスを動力とする革新的なアプローチ

従来の電池の限界を認識し、研究者やエンジニアは、人工膵システムを電力化するためのいくつかの新しい戦略を追求しています。これらのアプローチは、外部充電の必要性を減らすか、排除することを目的としています。デバイスのサイズを縮小し、真の一日中の使用のための信頼性を向上させる。

1. 体から収穫するエネルギー

省エネの収穫技術は、ユーザーの体や環境から周囲のエネルギーをキャプチャし、電力に変換します。 ウェアラブル医療機器の場合、自然にそして継続的に利用できるソースに最も有望な収穫方法が描画されます。

]圧電気エネルギー収穫は、機械的に強調したときに電気チャージを生成する材料に依存しています。 ウェアラブルなコンテキストでは、ウォーキング、アームモーション、または呼吸中に胸の拡張および収縮の動きが収穫することができます。 研究者は、インシュリンポンプハウジングやチューブ自体に統合できる柔軟な圧電膜を開発しました。 1つの研究では、マイクロチップを吸収し、通常のパワーを最大にするために、マイクロチップを吸収する能力を発揮しました。

[熱電エネルギー収穫[]は、皮膚(十分に32–35°C)と周囲の環境の温度差を悪用します。 皮膚に置かれる熱電発電機(TEGs)は、温度勾配が存在するときに、わずかな電力量を生成することができます。 22°で部屋に座る人のために、よく設計されたTEGは、これらのバッテリーを充電するのに十分な数ワットを発生させることができます。

バイオ燃料電池]は、より根本的なアプローチを表します。 彼らは体内の生化学反応から直接電力を生成します。 酵素燃料電池は、例えば、間接流体または血流のグルコースからエネルギーを収穫することができます。 このコンセプトは、デバイスがすでにグルコースデータにアクセスし、それが酵素が調整される可能性があるため、人工膵臓のために特にエレガントです。 初期研究では、マイクロメートルの電力量が1週間で、バイオ燃料を増加させることができる、バイオ燃料は、バイオ燃料を増加させます。

2. 無線電信の伝達およびリモート充満

ワイヤレス電源転送(WPT)技術により、デバイスは電源に接続せずに充電することができます。 人工的なパンクレアの場合、ユーザーは眠り、机に座る、またはドライブを運転しながら充電することを意味します。デバイスを削除したり、充電ポートにアクセスしたりすることなく、デバイスを取り外したりすることができます。

[] 共鳴誘導カップリングは最も成熟したWPT方式です。 これは、充電パッドでコイルによって生成された磁場を使用して、デバイス内の対応するコイルで電流を誘発します。 このアプローチは、すでに多くの消費者のウェアラブルと医療インプラントを出力します。 人工的なパンクレアの場合、反動的な充電は、ユーザーがベッドのマットの近くや、短い期間のコンポストコンセントに近接するデバイスを割り当てることを可能にします。 磁気は、または、その中のコンバージョンが制限されるため、その場合、その場合、その制限は、その制限を制限します。

無線周波数(RF)エネルギーを使用して、Far-fieldワイヤレスパワーは、より野心的なアプローチです。 ISMバンド(例えば、915 MHzまたは2.4 GHz)で動作する送信機は、数メートルの間隔で電力をビームすることができます。 デバイス内の受信アンテナは、RFエネルギーの一部を収穫し、DC電力にそれを再調節します。 この技術は、低電力センサー(例えば、RF-VET、またはRF)の電力量および電力量を削減するが、より高負荷速度の電力量と電力量を低減する可能性があります。

[超音波パワートランスファー]は、組織と空気を介してエネルギーを伝達するために音波を使用しています。 この方法は、深く注入された医療機器のために調査されていますが、それはまた、ウェアラブルシステムに適用することができます。 超音波は、金属ハウジングと水(汗)を磁場よりも効果的に貫通することができ、それは精密なコイルアライメントを必要としません。 研究グループは、超音波パワートランスファーの効率を実証しました 10 に 30 パーセント 数セントの割合は、私たちの蒸気を充電するために、我々は、蒸気を発生させることができるか、我々は、人工の能力を、体に伝達します。

3. 高度なバッテリーの化学品とストレージ技術

省エネ収穫やワイヤレス電力も、ほとんどのシステムは、高需要の期間中に局所エネルギー貯蔵要素をバッファリング(例えば、ポンプモーターが積極的に大腸を配信する時など)、または収穫条件が不利である場合、依然として必要となります。 ストレージ要素自体の改善は、したがって、別の重要なパスです。

ソリッドセラミックまたはポリマー電解液で見つかった液体またはゲル電解液を交換します。この設計は、医療用ウェアラブルにいくつかの利点を提供しています:より高いエネルギー密度(典型的に2–3回リチウムイオンの)、電解液漏れのリスク、より広い動作温度範囲。ソリッドステートバッテリーは、特に非炎症性であり、耐摩耗性のある医療用機器に、耐摩耗性を要求する、Il-ionを着用する。

薄膜電池は、ウェアラブルデバイスのスペースコンストレンスな環境に適した別の変形です。 蒸気蒸着技術を使用して、メーカーはマイクロメートルで測定された厚さで電池を作成することができます。 これらのフィルムは、デバイスの回路基板に直接堆積したり、柔軟基板上にさえも、バッテリーがハウジングの形状に合わせることができます。 薄膜電池は、バルクセルよりも少ない総エネルギーを蓄える一方で、それらのフィルムは、より軽量な材料を使用することができます。

Superコンデンサーは、短期エネルギー貯蔵のための電池の代替手段を提供します。 彼らは非常に迅速に電力の高バーストを提供することができます。 インシュリンポンプモーターが始動&マダッシュの瞬間のためにideal。 そして、彼らは、劣化なしで数百回充電され、排出することができます。 特に、ピーク負荷のための小さなスーパーキャパシタとベースライン電力のためのバッテリーを組み合わせるハイブリッドエネルギー貯蔵システムは、過電流速度を低減することにより、バッテリーを延ばすことができます。 過電流の過充電および高濃度の過負荷は、特に高濃度の過負荷と高濃度の過負荷を低減します。

4. パワーマネジメントと低電力設計

電源自体を超えて、デバイスがエネルギーを管理し消費する方法は、同様に重要です。 重要な利益は、インテリジェントな電力管理アルゴリズムとコンポーネントの選択によって達成することができます。

[適応サンプリングとトランスミッション[は、このような戦略です。 定額の高速度(例えば、毎分)でグルコースをサンプリングするよりもむしろ、デバイスは、血液糖の変化率に基づいて、そのサンプリング周波数を動的に調整することができます。 グルコースレベルが安定していると、CGMサンプルは5分ごとに5分ごとにデータを送信し、不均一にデータを送信することができます。 グルコースが上昇または上昇すると、システムが増加し、速度が低下し、この速度が低下し、この速度が低下し、40パーセントを低減することができます。

[] スリープモードとウェイクトリガー[ により、デバイスは低活動期間中に非重要なサブシステムを出力することができます。例えば、Bluetooth ラジオは、多くの場合、最大の電力消費者の 1 つであり、スケジュールされたデータ伝送間でディープスリープ状態に配置することができます。 CGM センサー、ポンプ コントローラー、およびアルゴリズムプロセッサは、同様に、アクティブに必要とされていないときに低電力状態を入力することができます。リアルタイムクロックと、およびスケープされたデバイスを切り替える(アラーム)、および、さまざまなデバイスを切り替えることができます。

]エネルギー効率の高いアルゴリズムの実装も重要である。 インシュリンのデリバリーレートを計算する制御アルゴリズムは、パワー空腹のデジタル信号プロセッサではなく、低電力マイクロ制御回路上で固定点演算で実装することができる。 研究者は、比例的な統合型(PID)コントローラまたはモデル予測制御(MPC)アルゴリズムが、マイクロ制御回路上で動作するかどうかを実証しているが、マイクロ制御回路の要件と、マイクロ制御回路の要件の要件が異なる場合、100ワットのパフォーマンスが、実際の要件を満たすのは、ほぼ同じである。

ノベルパワーシステムの安全と規制に関する検討

医療機器に新しい電力技術を導入し、特にインシュリン配達を直接制御する1つは、厳密な安全検証と規制の承認を必要とします。 米国食品医薬品局(FDA)や国際電気技術委員会(IEC)などの国際機関は、電池の安全、電磁互換性、リスク管理などの医療機器の基準を確立しています。

[エネルギー収穫システムの場合、エネルギー源の予測不可能は複雑さの新たな層を導入する。 装置は、収穫条件が悪い場合でも、安全に機能するように設計されなければならない—例えば、ユーザーが多くの時間のために分かっている場合。 収穫されたエネルギーに重く依存するシステムは、定義された期間に重要な機能を維持する十分な容量を持つバックアップエネルギーを準備する必要があります。 充電式医療機器のFDAのガイダンスは、さまざまなデバイスを充電し、さまざまな機能を提供する必要があります。

[ワイヤレスパワー転送のために、]安全懸念は、組織の加熱と電磁場の露出に中心をしています。 特定の吸収率(SAR)制限は、RFまたは超音波エネルギーが熱損傷を引き起こすことを確実にするために満足しなければなりません。 1 MHz未満の周波数で動作する誘導充電システムは、通常最小限のリスクを提示しますが、高周波数で動作する遠距離RFシステムは、慎重なアンテナ設計と電力制限を必要とします。 そのような試験システムが、このような有効な試験システムのためのフレームワークを提供します。

[] 高度なバッテリー化学品[ 燃焼性および毒性は重要な懸念を残します。 ソリッドステートバッテリーは、液体電解電池よりも安全ですが、短絡、過充電、およびパンク条件の厳しいテストに合格する必要があります。 テストおよび基準(UN 38.3)のUNマニュアルは、リチウム電池輸送安全のための認定規格であり、同様の試験プロトコルは、化学者のために開発されています。

統合チャレンジとシステムレベルの設計

新たな電源を投入することは、単に別の電池を交換するという問題ではありません。 デバイスアーキテクチャ全体が、パワーシステムに念頭に置いて設計する必要があります。

[熱管理]]は、エネルギーの収穫成分が熱を発生させるとき、または近くの金属部品で渦電流を浸すとき、より重要になります。 デバイスは、安全限界を超える皮膚温度を上げずに、余分な熱を散らす必要があります(典型的には4°Cは、皮膚と接触する医療機器の周囲に上昇します)。 エンジニアは、最悪の充電と加熱条件下にあるデバイスの熱プロファイルをモデル化し、熱交換要素を加熱または加熱する必要があります。

[水と汗の侵入は、任意のウェアラブルのための永続的な挑戦です。 圧電気または熱電の収穫に依存するデバイスは、そのIPの評価を妥協する開口部または出口を持っているかもしれません。 物理的な現象(振動、温度勾配、磁場)を可能にする一方で、すべてのエネルギー収穫およびワイヤレス充電コンポーネントは水分に対して密封されなければならない。 これにより、物理的な現象(振動、温度勾配、磁場)が有効要素に達することがあります。 これは、しばしば、新しい戦略や、そのような抗炎症薬などの障壁を伴います。

[Formファクターと快適]は、パワーシステムイノベーションのために犠牲にすることはできません。 3日間続くバッテリーは、厚さが採用されるのとは異なり、デバイスを2回作る。 エンジニアは、産業用デザイナーと臨床エンドユーザーとの緊密なコラボレーションで作業し、電力システムの改善が現実的な利益に翻訳されるようにします。 ユーザーは中心のデザイン調査は、摩耗性を繰り返して、生活上の糖尿病の上昇を背景に糖尿病の人々がいる前に、摩耗性が認められています。

未来の視点と道の先物

本当に一日中人工膵臓の電源のための探求は、材料科学、電気工学、生物医学工学、および規制科学に及ぶ多分野にわたるマルチディストリビューションです。単一の技術は、完全なソリューションを提供する可能性はあります。代わりに、最も成功したシステムは、包括的な電力アーキテクチャで複数のアプローチを統合します。

次世代のデバイスのための可塑性近距離シナリオは、ベースラインパワー、ピーク負荷のためのスーパーキャパシタ、および誘導ワイヤレス充電システムを組み合わせたハイブリッドシステムで、ユーザーは他の活動を実行しながら、毎日15〜30分間デバイスを充電することができます。 体の動きや熱から収穫するエネルギーは、サプリメントのトップアップとして機能し、 1日〜3〜4日までの必須充電セッション間の間隔を拡張することができます。

長期研究は、より根本的な概念を探求しています。 体のブドウ糖からエネルギーを直接引き出すバイオ燃料細胞は、理論的に任意の外部充電なしで数週間または数か月連続電力を提供することができます。 植えられた圧電気収穫機は、ビート心臓からエネルギーを捕獲するか、骨格筋の動きをキャプチャすると、完全に内部の人工膵臓システムを電力供給することができます。 これらのアイデアは、研究室の段階で残っている間、彼らは人工膵臓が本当に自在である将来に向かっています。

アカデミー、業界、規制機関とのコラボレーションは、残りのハードルを克服するために不可欠です。 ]のような組織、JDRFとAmerican Diabetes Association[]]]のような組織は、MedtronicやInsuletなどの企業が商業製品設計の境界線をプッシュし続けますが、糖尿病デバイス用の電力システムで早期に研究を資金を供給しました。 一方、 [FLTFLT:4]は、充電式機器の[FLT:]を提示しました。 [FLTFLTFLT:]は、および、医療用機器の期待をクリアに提供しました。 [FLTFLTF]:[FLT:[F]:[F]:[FLTF]:[FLTF]::[F]:[F]:4]:[FLTF]:4]:[F]:[F]:[F]:4:4:]:医療機器の認証をクリアなに、および、および、および、および、および、および、および、および、および、

最終的には、あらゆる電力ソリューションの成功は、患者の成果への影響によって判断されます。 12時間ごとに再充電しなければならないデバイスが、優れた血糖制御を達成することはわずかに精度の低い制御で3日間実行されるよりも、より少し魅力的ではないかもしれません。 電力信頼性、デバイスサイズ、ユーザーの利便性、および臨床性能のバランスをとることは、毎日これらのデバイスを着用する人々と継続的な対話を必要とする。 diaTribe Foundationおよび患者の糖尿病およびこれらの問題に対する適応性を確保するために、これらのフォーラムは、これらのデバイスを計画するかどうかを検証します。

人工膵臓は、研究コンセプトから主流療法へと進化し続けるため、電源は、デバイスが成功するか、現実世界で使用できなかったかを決定する決定的な機能を維持します。革新的なアプローチにより、開発—エネルギーの収穫とワイヤレス充電から高度なバッテリーとインテリジェントな電力管理—真に終日、手間のかからない人工膵臓が到達範囲内で移動しています。エンジニアリング、創造性、絶え間ない輸送を組み合わせて、究極のプロセスを約束します。