모든 일용 인공 Pancreas 장치를 강화하는 혁신적인 접근법

차세대 당뇨병 기술에 대한 힘 도전

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현재 전력 솔루션 및 그 한계

대부분의 상용으로 사용할 수 있는 인공적인 pancreas 시스템은 리튬 이온 또는 리튬 폴리머 충전식 배터리에 의존합니다. 이 전원은 에너지 밀도, 무게 및 비용 사이의 합리적인 균형을 제공하는 소비자 전자에서 잘 서서 넓게 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 배터리가 지속적으로 작동해야하는 의료 기기에서 배포 될 때 몇 가지 본질적 제한이 분명합니다.

배터리 크기 및 폼 팩터

CGM 수신기, 펌프 모터 및 데이터 전송을위한 블루투스 라디오 모두에 적합한 리튬 이온 배터리는 일반적으로 여러 센티미터를 측정합니다. 이 벌크는 장치 설계에 제약을 부과합니다. 제조업체는 더 큰 배터리를 수용하거나 더 짧은 실행 시간을 허용하는 더 큰 장치를 구축해야합니다. 사용자의 경우,이 거래 오프는 편안함, 재량 및 착용성에 영향을줍니다. 의류에 대한 눈에 띄는 펌프 또는 피부에 무거운 느낌은 매우 자동화 된 치료의 이점을 감수 할 수 있습니다.

출력 빈도와 사용자 Burden

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건전지 Degradation 시간

충전식 리튬 이온 배터리는 각 충전 사이클로 용량을 잃습니다. 전형적인 2 ~ 4 년 장치 수명에 배터리는 원래 용량의 70 또는 80 %로 degrade 할 수 있으며 사용자 경험은 점차적으로 짧은 런타임을 갖게됩니다. 이 탈 그레이션은 신체 열, 빈번한 깊은 방전 및 착용 가능한 장치의 전형적인 일정한 까다로운 장치에 노출하여 가속 할 수 있습니다. 결국 배터리는 교체되어야하며 제조업체 또는 클리닉 방문에 장치 반품을 필요로합니다. 즉, 치료는 중단 될 수 있습니다.

안전 책임의 끝에서

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인공 Pancreas 장치를 강화하는 혁신적인 접근법

기존 배터리의 한계를 인식하고, 연구원과 엔지니어는 여러 가지 새로운 전략을 Power 인공 파노라마 시스템을 추구하고 있습니다. 이러한 접근법은 외부 충전, 수축 장치 크기 및 신뢰성을 진정한 하루, 매일 사용을위한 감소 또는 제거하는 것을 목표로합니다.

1. 몸에서 에너지 수확

에너지 수확 기술은 사용자의 몸 또는 환경에 주위 에너지를 캡처하고 전기 전력으로 변환합니다. 착용할 수 있는 의료 기기를 위해, 가장 유망한 수확 방법은 자연적으로 그리고 지속적으로 사용할 수 있는 근원에 그립니다.

Piezoelectric energy racinging는 기계적 스트레스를 풀 때 전기 충전을 생성하는 재료에 의존합니다. 착용 가능한 컨텍스트에서, 걷는, 팔 운동, 또는 숨을 쉬는 동안 가슴의 확장 및 수축은 수확 될 수 있습니다. 연구자들은 인슐린 펌프 하우징 또는 튜브 자체로 통합 할 수있는 유연한 압전 필름을 개발했습니다. 한 연구는 50 와트의 전력을 공급하는 파이전 수확기가 정상 작동을 유발할 수 있다고 설명했습니다.

더모전 에너지 수확]는 피부의 온도 차이를 악용합니다 (약 32– 35° C) 그리고 주변 환경. 피부에 넣는 열전 발전기 (TEGs)는 온도가 존재할 때마다 전기의 소량을 일으킬 수 있습니다. 22° C에 방에 앉아있는 사람의 경우, 잘 설계된 TEG는 몇몇 밀리 와트를 생성할 수 있습니다. 이 정전 용량은 제한될 수 있습니다.

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2. 무선 힘 이동 및 먼 위탁

무선 전원 전송 (WPT) 기술은 장치가 전원에 물리적 연결 없이 충전 할 수 있습니다. 인공 파노라마를 위해, 이것은 사용자 수면 동안 충전을 의미 할 수 있습니다, 책상에 앉아, 또는 장치 제거하거나 충전 포트에 액세스 할 필요없는 드라이브.

Far-field wireless power 는 라디오 주파수 (RF) 에너지를 사용하는 것이 더 야심한 접근법입니다. ISM 밴드 (예를들면, 915 MHz 또는 2.4 GHz)에서 작동하는 송신기는 여러 미터의 거리를 통해 전력을 빔 할 수 있습니다. 이 기술은 RF 에너지의 일부를 수확하고 DC 전원으로 재구성 할 수 있습니다. 이 기술은 저전력 센서 (예를들면) (예를들면)를 위해 입증되었습니다. 그러나, RF 에너지의 전력을 증가시키고, 전력을 증가시키는 것은 에너지의 부족으로 증가할 수 있습니다.

초음파는 초음파의 초음파를 사용하여 초음파를 변환하는 것을 가능하게 합니다. 초음파는 초음파의 초음파를 사용하여 초음파를 변환하는 것을 허용합니다. 초음파는 초음파의 초음파를 통해서 초음파를 전달하는 것을 허용하고, 초음파를 통해서 초음파를 통해서 초음파를 통해서 초음파를 전달할 수 있습니다. 초음파는 초음파를 통해서 초음파를 관통할 수 있고, 초음파를 통해서 초음파를 전달하는 것은 초음파를 전달할 수 있습니다. 초음파는 초음파를 통해서 초음파를 전달하는 것은 초음파의 초음파를 전달하는 것을 도울 수 있습니다. 초음파는 초음파를 통해서 초음파를 전달하는 것은 초음파의 초음파를 전달하는 것을 도울 수 있습니다.

3. 진보된 건전지 화학 및 저장 기술

에너지 수확 및 무선 전력으로 인해 대부분의 시스템은 여전히 높은 수요 (예 : 펌프 모터가 bolus를 전달할 때) 또는 수확 조건이 바람직하지 않은 경우 (예 : 펌프 모터가 적극적으로 bolus)의 기간 동안 버퍼 전력에 지역 에너지 저장 요소가 필요합니다. 저장 요소 자체를 개선하면 다른 중요한 경로가 있습니다.

Solid-state battery는 고체 세라믹 또는 폴리머 전해질을 가진 기존의 리튬 이온 셀에서 발견되는 액체 또는 젤을 대체합니다. 이 디자인은 의료용 착용할 수 있는 몇 가지 이점을 제공합니다: 더 높은 에너지 밀도 (주로 2 & ndash;3 배 리튬 이온), 전자 누설의 위험 없음, 그리고 더 넓은 작동 온도 범위. 고체 배터리는 또한 비 가연성, 특정 의료용 셀에 대한 안전 및 기타 의료용 장비의 일부에 대한 위험이 있습니다.

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Supercapacitors]는 단기 에너지 저장을 위한 건전지에 대안을 제안합니다. 그들은 힘의 높은 탄화수를 아주 빨리 &mdash 전달할 수 있습니다; insulin 펌프 모터 start&mdash가 순간을 위해ideal; 그들은 분해 없이 수천의 위탁되고 출력될 수 있습니다. 최고봉 짐을 위한 작은 supercapacitor 및 기본 동력을 결합하는 잡종 에너지 저장 체계는 특히 전극의 높은 긴장 비율을 감소시키기 위하여 연료를 공급하는 것을 허용했습니다.

4. 힘 관리와 저전력 디자인

전원 자체를 넘어 장치가 에너지가 똑같이 중요하게되는지, 장치 관리 및 소비하는 방법을 알아보십시오. Significant 이득은 지능형 전력 관리 알고리즘 및 구성 요소 선택을 통해 달성 될 수 있습니다.

적응 샘플링 및 전송은 그런 전략 중 하나입니다. 고정 된 높은 비율 (예를들면, 각 분)에 샘플링 글루 로스보다, 장치는 역학적으로 혈액 설탕의 변화에 따라 샘플링 주파수를 조정할 수 있습니다. 포도당 수준이 안정되면 CGM은 5 분마다 샘플링하고 데이터를 전달 할 수 있습니다. 포도당이 상승하거나, 평균적으로 40 %의 전력을 공급하는 것은 매우 빠른 속도로 증가 할 수 있습니다. 이 시스템은 40 %의 전력을 공급하지 않고 60 %의 전력을 공급하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Sleep 모드와 깨진 트리거는 낮은 활동의 기간 동안 비 크리티컬 서브 시스템을 전원으로 공급할 수 있습니다. 예를 들어, Bluetooth 라디오는 가장 큰 전력 소비자 중 하나이며, 예정된 데이터 전송 사이의 깊은 수면 상태에 배치할 수 있습니다. CGM 센서, 펌프 컨트롤러 및 알고리즘 프로세서는 적극적으로 필요로 할 때 저전력 상태를 입력할 수 있습니다. 실시간 시계 및 마이크로 웨이브 (micro-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray-ray

Energy-efficient 알고리즘 구현 또한 중요 사항입니다. 인슐린 납품 비율을 계산하는 제어 알고리즘은 전력 공급 디지털 신호 프로세서보다 낮은 전력 마이크로 제어기에 고정점 이론에서 구현할 수 있습니다. 리서치는 비례적 인 파생 (PID) 컨트롤러 또는 모델 예측 제어 (MPC) 알고리즘을 통해 100 와트의 성능과 일치하여 마이크로 제어를 실행할 수 있습니다. 이 연구자들은 인공적으로 설계한 성능과 비교할 때, 100 와트의 성능이 매우 낮은 수준으로 결정됩니다.

Novel Power Systems의 안전 및 규제 고려 사항

의료 기기에 새로운 전력 기술을 도입, 특히 직접 인슐린 납품을 제어하는 것은, 엄격한 안전 검증 및 규제 승인을 필요로 합니다. 미국 식품 및 의약품 관리 (FDA) 및 국제 전자 기술위원회 (IEC)와 같은 국제 기관은 배터리 안전, 전자기 호환성 및 위험 관리와 같은 의료 전기 장비에 대한 표준을 수립했습니다.

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무선 전력 전송을 위해 조직 난방 및 전자기 분야 노출에 대한 안전 우려 센터. 특정 흡수율 (SAR) 한계는 RF 또는 초음파 에너지가 열 손상을 일으키지 않도록 보장하기 위해 만족해야합니다. 1 MHz의 주파수에서 유도 충전 시스템은 일반적으로 최소한의 위험을 나타냅니다, 그러나 더 높은 주파수에서 작동하는 원거리 RF 시스템 조심 안테나 디자인 및 전원 제한이 필요합니다. IEC 60601 표준의 가족은 테스트 및 검증 시스템을 위해 프레임 워크를 제공합니다.

고급 배터리 화학 물질에 대 한, 가연성 및 독성은 주요 우려 남아. 고체 배터리는 액체 전해질 배터리보다 불완전히 안전 하지만 여전히 단락, 과충전 및 빵꾸 조건에 대 한 엄격한 테스트를 통과 해야 합니다. 테스트 및 표준의 UN 설명서 (UN 38.3) 리튬 배터리 수송 안전에 대 한 인식 표준, 및 유사한 테스트 프로토콜은 신흥 화학 물질에 대 한 개발.

통합 도전과 시스템 수준 디자인

새로운 전원을 채택하면 다른 배터리를 교환하는 것은 단순히 중요하지 않습니다. 전체 장치 아키텍처는 힘 시스템과 마음으로 설계해야합니다.

열간 관리은 에너지 수확 부품이 열을 생성하거나 무선 충전이 가까운 금속 부품에 eddy 전류를 유도 할 때 더 중요한 것입니다. 이 장치는 안전한 한계 (일반적으로 4 및 deg; 피부와 접촉하는 의료 기기의 주위 상승)의 피부 온도를 올리지 않고 과잉 열을 과잉하지 않도록해야합니다. 엔지니어는 최악의 케이스 충전 및 수확 조건에서 장치의 열 프로파일을 모델링해야하며 열을 통합 할 수 있습니다.

]물과 땀의 정수은 착용할 수 있는 영구적인 도전입니다. 압전 또는 열전 수확에 의존하는 장치는 IP 등급을 손상시키는 오프닝 또는 통풍이 있을지도 모릅니다. 모든 에너지 수확 및 무선 충전 성분은 습기에 대하여 아직도 육체적인 현상 (진동, 온도 기온변화도, 자석 분야)를 허용하는 동안 밀봉되어야 합니다. 이것은 수시로 열전을, 막는 유리 또는 유리 섬유로, 유리 섬유로, 유리 섬유를 덮는 유리 섬유를, 유리 섬유를 띠는 유리 섬유를 갖춰야 합니다.

]Form Factor and comfort은 Power system Innovation에 대한 희생이 될 수 없습니다. 3일 동안 지속되는 배터리는 두 번 두 번이 채택되지 않습니다. 엔지니어는 산업용 디자이너와 임상 최종 사용자와 긴밀한 협력을 통해 전력 시스템 개선이 실제 혜택을 낼 수 있도록하며 이론적 이득이 아닙니다. 사용자 중심의 디자인 연구는 내구성과 재량이 일반적 인 것으로 나타났습니다. 그러나, 당뇨병 환자의 생명을 잃는 것으로 예상됩니다.

미래 관점과 길 앞으로

진정한 올데이 인공 판크라스 전원의 퀘스트는 재료 과학, 전기 공학, 생명 공학 및 규제 과학에 걸쳐 다분별 endeavor입니다. 단일 기술이 완벽 한 솔루션을 제공 하는 것입니다. 대신, 가장 성공적인 시스템은 전체적인 전력 아키텍처에 여러 가지 접근 방식을 통합할 것입니다.

이 장치는 기존의 장치용 플루저의 근접 시나리오는 기본 전원을 위한 소형 고체 배터리를 결합하는 하이브리드 시스템이며, 피크 부하를 위한 슈퍼 커패시터, 그리고 사용자가 다른 활동을 수행하는 동안 15 ~ 30 분 동안 장치를 충전 할 수있는 유도 무선 충전 시스템입니다. 에너지 수확 바디 모션 또는 열은 보조 상판으로 제공 할 수 있으며, 1 일 ~ 4 일 사이에 필수 충전 세션 사이에 간격을 확장 할 수 있습니다.

이 연구는 더 급진적인 개념을 탐구하고 있습니다. 몸의 포도당에서 에너지를 직접 그릴 바이오 연료 전지는 어떤 외부 위탁 없이 주 또는 달 동안 지속적인 힘을 제공할 수 있었습니다. 뇌하수체에서 에너지를 붙잡는 Implanted piezoelectric 수확기는 완전히 내부 인공적인 pancreas 체계를 전해야 할 수 있었습니다. 이 아이디어는 실험실 단계에서 남아 있는 동안, 인공적인 pancreas가 진정한 자기 옹호하는 자가 갖춰지는 미래에 그 자리에 뒀습니다.

Academia, 산업, 규제 기관 간의 협력은 나머지 장애물을 극복하기 위해 필수적입니다. JDRF]과 같은 조직과 American Diabetes Association는 당뇨병 기기를 위한 전력 시스템에서 초기 단계 연구가 자금을 지원했으며, Medtronic 및 Insulet 같은 회사는 상업 제품 디자인의 경계를 밀어 계속합니다. 그 사이에, [LT:3]]]는 의료 기기에 대한 안전 지침을 제공했습니다. :2]:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:2:3]:3]

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