Sonraki Nesil Diyabet Teknolojisindeki Güç Meydanlığı

Yapay pankreasyonlar, genellikle kapalı bir tonluk insülin teslim sistemi olarak adlandırılır, tip 1 diyabet yönetiminde en önemli ilerlemelerden birini temsil eder. Bu cihazlar sürekli bir glikoz monitörü (CGM), bu sistemleri dönüştürücü ve kontrol algoritmasını otomatik olarak, otomatik olarak insülin teslimatını gerçek zamanlı olarak ayarlamak için yapar.Demek gerekirse, bu teknoloji sürekli karar verme yükünü azaltmak ve glycemik kontrolü geliştirmek için vaat eder.

Gece boyunca güç veya şarj edilebilir olan akıllı telefonlar veya dizüstü bilgisayarlardan farklı olarak, yapay bir pankreasyonlar saat boyunca çalışmalıdır. Bir güç başarısızlığı, kısa bir tane bile, tüm gün teslimat veya şekeri izlemesini kesebilir, tehlikeli kan şekeri dalgalanmalarına yol açabilir. Bu ihtiyaç, araştırmacılar ve cihaz üreticileri için de basit bir kolaylık sağlar.

Mevcut Güç Çözümleri ve Sınırları

Çoğu ticari olarak mevcut yapay pankreasyon sistemleri, lityum-iyon veya lityum-polimer akülere güveniyor. Bu güç kaynakları tüketici elektroniklerinde iyi düşünülmüş ve yaygın olarak kullanılan, enerji yoğunluğu, ağırlık ve maliyet arasında makul bir denge sunmaktadır. Ancak, bu bataryalar sürekli olarak çalışmalı bir tıbbi cihazda dağıtıldığında birkaç intrinsic sınırlaması belirgin hale gelir.

Battery Boyutu ve Form Faktörü

Lityum-iyon aküleri hem CGM alıcısını, bir pompa motorunu ve veri iletimi için bir Bluetooth radyosu genellikle birkaç santimetreyi birbirine bağlar. Bu yığınlar cihaz tasarımı üzerinde kısıtlamalar getirir. Üreticiler daha büyük cihazlar inşa etmeli veya daha kısa vadede kabul etmelidir.For users, this trade-off doğrudan rahatlık, takdir ve giyilebilirlik.

Frekans ve Kullanıcı Burden Yeniden Bağlanıyor

Uygulamada, birçok mevcut yapay pankreat cihazı, her 12 ila 24 saat boyunca yeniden şarj gerektirir, kullanım kalıplarına bağlı olarak, Bluetooth bağlantı gücü ve insülin teslimatının frekansı.Bir kullanıcının her gün tıbbi bir cihaz şarj etmeyi hatırlaması ve cihazın insülin veya ses alarmlarını sağlama yeteneğiyle müdahale etmesi gerekir.

Battery Degradasyon Over Time

Isıtmalı lityum-iyon aküleri her şarj döngüsü ile kapasite kaybeder. Tipik iki-dört yıllık bir cihaz ömrü boyunca, bataryanın orijinal kapasitesinin yüzde 70 veya 80'ine kadar düşebilir, kullanıcı deneyimlerini ilerici olarak daha kısa bir süre boyunca kesintiye uğrayabilir.Bu da sık sık sık derin deşarjlar ve sürekli hileli cihazlarla şarj edilebilir.

Maliyetin Sonunda Güvenlik Endişeleri

Bir lityum-iyon bataryası kesintiye uğradığında, cihaz hala kritik işlevleri sürdürürken gücü korumalıdır. Birçok sistem CGM örnekleme frekansını azaltan düşük güç modları uygular, Bluetooth iletim gücünü zayıflatır veya devre dışı bırakırken, bu önlemler sadece bir kolaylık sağlarken, tam olarak kullanıcının çoğu&mdash'a ihtiyacı olabilir; zaten kan şekeri kararsız olduğunda uyku veya kan şekerinin tam olarak zayıfladığı bir güç kaynağı.

Yapay Pancreas Cihazları Güçlendirmek için Yenilikçi Yaklaşımlar

Geleneksel bataryaların, araştırmacıların ve mühendislerin sınırlamalarını yapay pankreji sistemlerinin gücünü sağlamak için birkaç yeni strateji takip ediyor. Bu yaklaşımlar dış şarj, cihazı büyüklüğü azaltmak ve gerçek tüm gün için güvenilirlik geliştirmek.

1. Vücuttan Enerji

Enerji üretimi, kullanıcının vücudundan veya ortamından çevresel enerjiyi yakalar ve elektrik gücüne dönüştürür.En umut verici hasat yöntemleri doğal olarak ve sürekli olarak mevcut olan kaynaklar üzerinde çizilir.

[FONT:0)Piezoelektrik enerjisi hasat[[DÜT:1) Mekanik olarak vurgulandığında bir elektrik şarjı üreten malzemelere bağlıdır. Bir dürülebilir bağlamda, yürüyüş, kol hareketi veya hatta normal günlük aktivite sırasındaki göğüs büyütme ve sözleşmeleri bile üretebilir; Düşük güçlü bir Bluetooth vericisine entegre edilebilir bir kabloya veya kendi başına eklenmiş bir şekilde takviye edilebilir bir şekilde.

[FONT:0]Thermoelektrik enerjisi hasat[[DÜT:1) cilt arasındaki sıcaklık farkı (yaklaşık 32–35°C) ve birkaç milisiğe yerleştirilen termoelektrik jeneratörleri (TEG) mütevazı olsa da, 22°'de bir odada oturan bir kişi için, birkaç mikrowatt elektrik miktarı yeterli olabilir.

[FONT:0]Bio yakıt hücreleri [Dönetici:0] Daha radikal bir yaklaşım temsil ediyor: Vücuttaki biyokimyasal reaksiyonlardan doğrudan elektrik üretiyorlar. Enzymatik yakıt hücreleri, örneğin, iç sıvı veya kan dolaşımındaki enerjileri hasat edebilir, çünkü bu konsept, elektrot alanına erişimi olan ve teorik olarak çok uzun süreler içinde önemli ölçüde azaltılabilir.

2. Kablosuz Güç Transferi ve Uzaktan Şarj

Kablosuz güç transferi (WPT) teknolojiler, cihazlara fiziksel bağlantı olmadan şarj edilebilir. Yapay bir pankre için, bu, kullanıcının uykularında şarj edilebilir, bir masada veya hatta sürücülere ihtiyaç duymadan şarj edilebilir.

[[DÜDÜ:0)Resonant indüktif darbe[DÜDÜT:1) En olgun WPT yöntemidir. Cihazın içinde mevcut olan bir anahtarla şarj cihazıyla oluşturulan manyetik alanlar, cihazın içinde bir anahtarlama işlemine izin verir.Bu yaklaşım zaten birçok tüketici aşınması ve tıbbi implantlar yoktur. Yapay bir pankreasyon için, resonant indüktif şarj cihazı, kullanıcının kısa süreler için bir çantaya veya bir cebine yaklaştırmasına izin verir.

[FONT=0]Far-field kablosuz güç), RF enerji kullanılarak ve DC güçlerine yeniden yüklenebilir.(e.g., 915 MHz veya 2.4 GHz) güç, cihazda antenin bir kısmını azaltılabilir ve düşük güç sensörleri için daha yüksek düzeydeki taleplerin ve sistemlerin düşük seviyeli parametrelerin (örneğin, RFID etiketleri ve çevresel monitörler) düşük seviyeli bir şekilde azaltılabilir.

[FONT:0)Ultrasonik güç transferi, manyetik alanlardan daha etkili bir şekilde enerji iletmeleri için ses dalgaları kullanır.Bu yöntem, yüksek çözünürlükte 10 ila 30 mesafe üzerinde de uygulanabilir sistemler için araştırılır, ancak metal konutlar ve su ile nüfuz edebilir ve bir elastik şarj cihazı olarak yaralanabilir bir şekilde bir yanardağlar için bir pompa veya vücut pompasına kadar 10 ila 30 mesafeyi elde etmek için bir pompaya veya bir pompaya veya bir pompaya kadar 10 ila 30 arasında bir pompaya kadar pompalayabilir.

3. Gelişmiş Battery Chemistries and Storage Technologies

Enerji hasat ve kablosuz güçle bile, çoğu sistem hala yüksek talep dönemlerinde yerel bir enerji depolama elementine ihtiyaç duyacaktır (örneğin, pompa motoru aktif olarak bir bolus teslim olduğunda) veya hasat koşullarını geliştirirken, depolama elementinin kendisini iyileştirmesi başka bir kritik yol.

[FONT=0)Solid-state bataryaları [Dönetici: 1 ) Sıvı veya jel elektrolit, sağlam bir seramik veya polimer elektrolit ile geleneksel bir şekilde bulunan hücrelerde bulunan ve bu tasarım, tıbbi giyilebilirler için birkaç avantaj sunar: yüksek enerji yoğunluğu (potansiyel olarak 2–3 kez lityum-iyon riski), elektrolit sızıntıları ve daha geniş bir işletim sıcaklığı aralığına sahip binlerce implanta sahip olmak için tasarlanmış bir güvenlik endişesi.

[[Dönetici:0)Thin-film bataryaları , bir aşınmalı cihazın uzayını uygun bir şekilde karşılayan başka bir değişkendir. Buhar ayrıştırma teknikleri kullanarak, üreticiler mikrometrelerde ölçülen piller oluşturabilirler.Bu filmler cihazın devre kuruluna ya da esnek substratlara doğrudan depoya depolanabilir, bataryanın konutun şekline uygun hale getirilmesine izin verebilir.

[FONT:0] Super kapasitors[Döneticileri kısa vadeli enerji depolama sistemi için bataryalara alternatif sunuyor. Çok hızlı ve hızlı bir şekilde enerji patlamalarını sağlayabilirler; bir insülin pompası motoru başladığında ve grafiklere dayanan süper kapasiteye dayalı olarak şarj edilebilirler ve yüksek yüzeysel enerji depolama sistemlerini birleştirerek özellikle yüksek yüzeysel enerji depolama hızlarını ve bataryalarını birleştirerek yüksek hızda azaltılabilirler.

4. Güç Yönetimi ve Low-Power Design

Güç kaynağının ötesinde, cihazın enerjiyi nasıl yönetir ve tükettiği eşit derecede önemlidir. Önemli kazanımlar akıllı güç yönetimi algoritmaları ve bileşen seçimi yoluyla elde edilebilir.

[FONT:0] Adaptif örnekleme ve iletim[Dönetici:0) Bu tür bir stratejidir.Gitsel yüksek oranda şeker değişimine dayanan cihaz, her beş dakikayı örnekleme veya hızla düşmediğinde, sistem örnekleme oranını artırır ve aktarma oranını dinamik olarak ayarlar.Bu a Adaptasyonel bir yaklaşım, ortalama güç tüketiminin yüzde 40 ila 60 azaltılabilir.

[FONT:0]Sleep modları ve uyandırma[Dönetici:0) Cihazın düşük aktivite dönemlerindeki kritik alt sistemlere gücü düşürmesine izin verir. Örneğin, Bluetooth radyo, çoğu zaman en büyük enerji tüketicilerinden biri, planlanan veri iletimi arasında derin bir uyku durumuna yerleştirilebilir. CGM sensörü, pompa kontrolörü ve algoritma işlemcisi, aktif olarak ihtiyaç duyulmadığında çok sayıda mikro güç durumuna girebilir.

[[Uygunluk-enerjiye dayalı algoritma uygulamaları [[Dönetici:0) Enerjiye dayalı bir algoritma uygulaması (Dönetici) de önemli ölçüde, ölçümleyici (PID) kontrol cihazı veya modelleme algoritmalarının her zaman kontrolde çalıştırılabilmesi için, aktif modda 100 mikrode çalışan bir mikrodenetleyici üzerinde çalışır. Araştırmacılar, ancak gerçek zamanlı ölçümleme bileşenlerinin doğru şekilde yerine, ölçümleyici (MPC) algoritması, her bir performans ve performansa uygun bir şekilde kontrol edilebilir bir kontrolde çalıştırılır.

Roman Power Systems için güvenlik ve Düzenlemeler

Yeni bir güç teknolojisini tıbbi bir cihaza tanıtarak, özellikle de doğrudan insülin teslimini kontrol eden, titiz güvenlik doğrulama ve düzenleyici onayı gerektirir. ABD Gıda ve İlaç Yönetimi (FDA) ve Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) gibi uluslararası organlar, batarya güvenliği, elektromanyetik uyumluluk ve risk yönetimi de dahil olmak üzere tıbbi elektrik ekipman için standartlar kurdular.

[FONT:0) Enerji hasat sistemleri için, [Dönetici: 0,3] Enerji kaynağının öngörülemezliği, tanımlanmış bir süre için kritik işlevleri korumak için yeterli kapasiteye sahip bir yedeklemeye izin vermek için, cihazın şarj edilebilir tıbbi üreticilerin çeşitli eyaletlerde performanslarını karakterize etmesi gerekir.

[Üyetim:0) Kablosuz güç transferi için, daha yüksek frekanslarda çalışan RF sistemleri dikkatli anten tasarımı ve limitleri gerekir.Demokrat 601 standart bu tür sistemler için bir çerçeve sağlar.Inductive şarj sistemleri genellikle düşük riskli frekanslarda çalışır, ancak yüksek frekanslarda çalışan RF sistemleri dikkatli anten tasarımı ve limitleri kısıtlayıcı bir şekilde sınırlandırır.

[Uygunluk ve toksisite temel endişeler altında kalıyor.) Katı devlet pilleri, sıvı elektrolit pillerden daha güvenli, ancak hala kısa devre için titiz testler geçmelidir, aşırı şarj ve bokluk koşulları için.

Bütünleme Meydanları ve Sistemi-Level Design

Yeni bir güç kaynağı benimsemek, sadece bir bataryayı başka bir şey için değiştirme meselesi değildir. Tüm cihaz mimarisi akılda güç sistemi ile tasarlanmalıdır.

[FONT:0] ⁇ yönetimi [DÜDÜT:1], enerji hasat bileşenleri ısı üretirken veya kablosuz şarj yakındaki metal parçalardaki cihazın ısıtılmasında daha önemli hale gelir. Cihazın, güvenli sınırlar üzerindeki cilt ısısını yükseltmeden herhangi bir aşırı ısıyı bozması gerekir (tipik olarak 4°C, cilt mühendisleriyle temasta olan tıbbi cihazlar için çevrenin üzerinde yükselmek için yukarıdan aşağıya yükselmelidir).

[FONT:0]Su ve ter ingress[DÜDÜT:1], herhangi bir aşınma için kalıcı bir meydan okumadır.Sürekli veya termoelektrik hasatına dayanan bir cihaz, IP derecelendirmesi gibi, ince film engelleri veya hismetik muhafazalara karşı kapalı olabilir.

[FONT:0)Form faktörü ve konfor[[Dönetici:0) Güç sistemi inovasyonu için feda edilemez. Üç gün süren bir batarya, ancak cihazı iki kez şeker ile yaşamak için mümkün değildir. Mühendisler, anketlerde batarya yaşamının üzerinde çalışmak zorundadır.

Future Perspektifler ve Yol İleri

Gerçekten bütün gün yapay pankreatlar güç kaynağı arayışı, malzeme bilimi, elektrik mühendisliği, biyomedikal mühendisliği ve düzenleyici bilim için çok disiplinli bir çabadır. Hiç tek teknoloji tam bir çözüm sunma olasılığı yüksektir; bunun yerine, en başarılı sistemler, bütünleşik bir güç mimarisine birden çok yaklaşımı entegre edecektir.

Bir sonraki nesil cihazlar için bir platoible yakın-term senaryosu, diğer aktiviteler yaparken kullanıcının cihazı 15 ila 30 dakika şarj etmesine izin veren bir karma sistemdir. Enerji, temel güç için küçük bir sağlam devlet bataryası, üst düzey yükler için süper kapasiteye sahip ve üst düzey şarj seansları bir gün boyunca üç veya dört güne kadar şarj etmek için bir kablosuz şarj sistemi ile hizmet edebilir.

Uzun vadeli araştırmalar daha radikal kavramlar keşfeder. Biyoyakıt hücreleri, enerjiyi doğrudan vücut şekerinden uzaklaştıran biyolojik yakıt hücreleri teorik olarak haftalar veya aylar boyunca dış şarj olmadan sürekli güç sağlayabilir. Implanted pastazoelektrik hasatçılar gerçekten de kalpten enerji yakalamakta ve iskeletsel kasların hareketi, hiçbir dışsal bileşeni olmayan sistemlere güç verebilir.Bu fikirler laboratuvar aşamasında kalırken, yapay pankreatların gerçekten kendini korumakta olan bir geleceğe doğru işaret ederler.

Akademi, endüstri ve düzenleyici kurumlar arasındaki işbirliği, geri kalan engellerin üstesinden gelmek için gerekli olacaktır.Mülteciler gibi kuruluşlar ticari ürün tasarımının sınırlarını zorlamaya devam ederken.( )

Sonuçta, herhangi bir güç çözümünün başarısı, güç güvenilirliği ile ilgili doğru dengeyi bulmakla değerlendirilecektir. Her gün bu cihazları kullanan kişilerle diyalog gerektirir. Mükemmel glycemic control, bu değişim için üç gün boyunca çalışandan daha az cazip olabilir.Bu değişim için doğru dengeyi bulmak, tıbbi performans, cihaz büyüklüğü, kullanıcı rahatlığı ve klinik performans her gün bu cihazları kullanan kişilerle devam etmek gerekir.

Yapay pankreasyonlar, ana akım bir terapiye bir araştırma konseptinden evrim geçirmeye devam ettikçe, güç kaynağı, cihazın başarılı olup olmadığını belirleyen ve gerçek dünya kullanımında başarısız olup olmadığını belirleyen bir özellik olarak kalacaktır. Yenilikçi güvenlik yaklaşımları ile, ve hasta merkezli tasarım, sonunda, otomatik olarak şarj edilen piller ve akıllı bir güç yönetimi ve adash; Gerçekten bütün gün boyunca, cihaz sürekli olarak serbest bırakma hedefidir.