Енерговиклик у технології денної очереї

Штучна підшлункова залоза, часто називають системою доставки замкненого накладу інсуліну, являє собою одну з найбільш значущих досягнень у управлінні цукровим діабетом 1 типу. Ці пристрої об'єднують безперервний контроль глюкози (CGM), інсуліновий насос, а алгоритм управління для автоматичного регулювання надбавки інсуліну на основі одноразових показників цукру в крові. Для осіб, які живуть з діабетом, ця технологія обіцяє зменшити навантаження постійного прийняття рішень і поліпшити гліко-контроль. Однак дуже особливість, що робить ці системи трансформативно-медаш; безперервно, автоматизована операція — створює фундаментальний інженерний виклик: пристрій повинен надійно виконуватися в будь-який час і ніч.

На відміну від смартфонів або ноутбуків, які можуть бути заряджені або заряджені протягом ніч, штучний підшлункової залози повинен працювати цілодобово. Збій живлення навіть короткий, може переривати збірку інсуліну або моніторинг глюкози, що призводить до небезпечних коливань цукру в крові. Ця вимога пересуває джерело живлення від простої зручності до критичної компоненти безпеки. Як ці системи стають меншими, більш зносними, і все більш інтегровані в повсякденне життя, необхідність інноваційних рішень живлення, які можуть підтримувати все-не використання без частемних перезаряджань або акумуляторних запобіжників стала пріоритетом для дослідників і виробників пристроїв, як і раніше.

Поточні рішення та їх обмеження

Більшість доступних штучних систем підшлункової залози спираються на літієво-іонні або літієво-полімерні акумулятори. Ці джерела живлення добре відмиваються і широко використовуються в побутовій електроніці, що пропонує розумний баланс між щільністю енергії, вагою і вартістю. Однак кілька внутрішньоінтризичних обмежень стають очевидними, коли ці батареї розгортаються в медичному пристрої, які повинні працювати безперервно.

Розмір батареї та формовий фактор

Літій-іонні акумулятори, придатні для живлення як приймача CGM, насосного двигуна, так і радіо Bluetooth для передачі даних, зазвичай вимірюють кілька сантиметрів по всій. Ця основна маса накладає обмеження на дизайн пристрою. Виробники повинні або будувати більші пристрої, які містять більші батареї або приймати коротший час роботи. Для користувачів цей торговий пункт безпосередньо впливає на комфорт, розсуд і зносостійкість. Насос, який протроїде помітно під одягом або відчуває важко на шкірі, може розмежувати послідовне використання, підкреслюючи дуже переваги автоматизованої терапії.

Частота зарахувань та користувачів

На практиці багато сучасних штучних пристроїв підшлункової залози вимагають відокремити кожні 12 до 24 годин, в залежності від шаблонів використання, міцності підключення Bluetooth, і частоти доставки інсуліну. Зняти користувача, щоб заряджати медичним пристроєм щодня, і планувати навколо цього вікна зарядки, перейменує форму когнітивного тягару, що технологія прагне усунути. Нічна зарядка може бути особливо проблематично: якщо пристрій потрібно заряджати, поки користувач спить, що сеанс зарядки повинна бути безпечним і не може перешкодити здатності пристрою до доставки інсуліну або звукових сигналів.

Деградація акумулятора за час

акумуляторні літієво-іонні акумулятори втрачають потужність з кожним циклом заряду. За типовою двосторонньою робочою поверхнею приладу lifespan, акумулятор може деградуватися до 70 або 80 відсотків своєї оригінальної ємності, що означає, що користувач відчуває прогресивно коротший час роботи. Ця деградація може бути прискорена впливом на тепло тіла, часті глибокі розряди, а постійне пристойне зарядка типова зносних пристроїв. Зрештою, акумулятор необхідно замінити, часто вимагає повернення пристрою до виробника або клініки візиту та мдаш; незручність, що може переривати терапія.

Концерн безпеки при веденні заряду

Коли літій-іонна батарея підходить до виснаження, пристрій має загартоване живлення, зберігаючи критичні функції. Багато систем впроваджують низькопотужні режими, що знижують частоту відбору CGM, ослаблення живлення передачі Bluetooth, або відключають непередбачувані сигнали. Хоча ці заходи продовжують час запуску, вони можуть деградувати продуктивність точно, коли користувач може знадобитися пристрій найбільш — при цьому сон або коли цукор крові вже нестабільний. Джерело живлення, яке може підтримувати повну функціональність протягом запланованого періоду використання, тому не просто зручність, але вимога безпеки пацієнта.

Інноваційні підходи до живлення штучних підшлункових пристроїв

Визначте обмеження звичайних батарей, дослідників і інженерів, які здійснюють кілька нових стратегій для живлення штучних систем підшлункової залози. Ці підходи спрямовані на зменшення або усунення потреби зовнішньої зарядки, усадки розмірів пристрою і підвищення надійності для істинного в будь-який день, щоденне використання.

1. Енергетика збирання тіла

Технологія збору енергії захоплює навколишнє середовище від тіла користувача або навколишнього середовища і перетворює її в електричну потужність. Для носіння медичних пристроїв найбільш перспективні методи збору врожаю на джерелах, які природно і безперервно доступні.

Piezoеелектричний збирання енергії] спирається на матеріали, які генерують електричний заряд при механічно напружених. У зносному контексті рух ходьба, рух рук, або навіть розширення та скорочень грудей під час дихання можна зварити. Дослідники розробили гнучкі п'єзоелектричні плівки, які можуть бути інтегровані в корпуси інсулінового насоса або сам трубний труб. Один дослідження показав, що п'єзоелектричний збирач, зношений на верхній руці, може генерувати до 50 мікроват при нормальній щоденній активності —хоча потужність низької потужності Bluetooth передавача і доповнити головний акумулятор.

Thermoеелектрична збирання енергії] використовує різницю температур між шкірою (грубо 32–35°C) і навколишнього середовища. Термоелектричні генератори (TEGs) розміщені на шкірі можуть виробляти невеликі кількості електроенергії, коли температура градієнта існує. Для людини, що сидять в кімнаті 22°C, добре розроблений TEG може генерувати кілька мікроватів до декількох міліват. Хоча ці рівні потужності є скромними, вони можуть бути достатньо, щоб з'єднати акумулятор або суперконтролер, що продовжує загальний час між собою.

Biofuel Cell] представляє більш радикальний підхід: вони генерують електрику безпосередньо з біохімічних реакцій в організмі. Ензиматичні паливні клітини, наприклад, можуть збирати енергію від глюкози в міжстиціальної рідини або кровоплину. Ця концепція особливо елегантна для штучних підшлункової залози, оскільки пристрій вже має доступ до даних глюкози і може теоретично використовувати паливо, яке також регулюється. Ранні дослідження показали, що клітини біопалива глюкози можуть виробляти потужності щільності в діапазоні 1 до 100 мікроватів на квадратний сантиметр, але продовжується термінів фінансування в операційних умовах, вимірюваних біопалива, що вимірюють надійність в умовах.

2. бездротова передача живлення та дистанційна зарядка

Бездротові технології передачі живлення (WPT) дозволяють пристрої заряджатися без фізичного з'єднання до джерела живлення. Для штучної підшлункової залози це може означати зарядку, коли користувач спить, сидить на столі або навіть приводах, не потрібно видаляти пристрій або отримати зарядний порт.

Резонансна індуктивна муфта є найзрілим методом WPT. Він використовує магнітні поля, що створюються котушкою в зарядному колодці, щоб викликати струм у відповідній котушкі всередині пристрою. Цей підхід вже працює багато побутових зносних і медичних імплантатів. Для штучної підшлункової залози, резонансна індуктивна зарядка дозволить користувачеві розмістити пристрій біля приліжкового килима або кишеньковий зарядний пристрій для коротких періодів. Оскільки муфта магнітна, немає електричного контакту, усунення корозії і інгреспресових точок, які змагаються з гідроізоляцією. Основний обмеження: пристрій повинен бути в декількох сантиметрів, що можуть перенаряджуватися в декількох сантиметрах, коли за допомогою, що можуть бути вільними, як в декількох сантиметрів, що можуть бути вільними, що можуть бути вільними.

Фар-філд бездротової потужності з використанням радіочастотної (RF) енергії є більш амбітним підходом. Передавачі, що працюють в діапазонах ISM (наприклад, 915 МГц або 2,4 ГГц) можуть промити потужність на відстані декількох метрів. Отримання антени в пристрої збирає частину цієї енергії RF і випрямляє її в живлення постійного струму. Хоча ця технологія була продемонстрована для низьких датчиків (наприклад, RFID теги і екологічні монітори), рівні потужності, що є можливим при метрових дистанціях, як правило, в мікроватному діапазоні —

Ultrasonic передачі живлення] використовує звукові хвилі для передачі енергії через тканину і повітря. Цей метод досліджується для глибоко імплантованих медичних пристроїв, але він також може застосовуватися до зносних систем. Ультразвук може проникнути через металеві корпуси і води (солодіться) ефективніше, ніж магнітні поля, і це не вимагає точного вирівнювання котушки. Наукові групи показали ультразвукові ефекти передачі живлення від 10 до 30 відсотків над дистанціями декількох сантиметрів, що генерують мілівати корисної потужності. Для штучних підшлункової залози ультразвуковий зарядний пристрій може носити як зап'ястя або натискання, який передає живлення на жировий насос, що надходить через тіло.

3. Розширені технології зберігання акумуляторів та зберігання акумуляторів

Навіть при збирання енергії і бездротової потужності більшість систем все ще потребують локального елемента зберігання енергії до буферної потужності в періоди високого попиту (наприклад, коли двигун насоса активно доставляє болус) або при умов збору врожаю несприятливі. Удосконалення елемента зберігання є таким чином, ще одним критичним способом.

Слід-державні батареї замінити рідину або гелеву електроліту, знайдену в звичайних літієво-іонних клітин з твердою керамічною або полімерною електролітою. Цей дизайн пропонує кілька переваг для медичних носіїв: більша щільність енергії (потенційно 2–3 рази, що з літієво-іону), відсутність ризику електролітного витоку, а більш широкий діапазон робочих температур. Твердотільні батареї також демонструються з негорючі, що звертаються до занепокоєння безпеки, яка призвело до згадування деяких зносних медичних пристроїв. Компанії, такі як іліка і квантові, оголошені твердоті клітини, призначені для тисяч медичних проносних проносних проток, призначені для багатьох медичних проток, які мають багатошарових і мікропроток, що проток, що проток, що протікень, що протікень, що проносних і імплантатів, які мають високу якість, що мають високу якість, що мають високу якість, що мають високу якість, що мають високу якість, що мають високу якість, що мають високу якість, що мають високу якість, і , що

Thin-film акумулятори є ще одним варіантом, який підходить для простору-насиченого середовища зносного пристрою. Використання методів випаровування, виробники можуть створювати батареї з товщинами, вимірюваними в мікрометрах. Ці плівки можна відкласти безпосередньо на друковану плату пристрою або навіть на гнучкі підкладки, що дозволяє акумулятору конформувати форму корпусу. Хоча тонкопляні акумулятори зберігають менше загальної енергії, ніж сипучі клітини, їх форма фактор дозволяє дизайнерам використовувати наявний простір більш ефективно. Для штучних підшлункових залоз, які повинні залишитися невеликими і легковагими, тонко-фільтра батарея може бути загорта, що збільшує насос або шаровий дисплей під нагнітний пристрій, що підвищується, що підвищується під нагнітний пристрій, або шаровий дисплей під нагнітний пристрій.

Supercapacitors пропонують альтернативні батареї для короткострокового зберігання енергії. Вони можуть доставляти високі лопці потужності дуже швидко і мдаш;деальний для моменту, коли двигун насоса інсуліну стартує і мдаш; і вони можуть заряджатися і розряджаються сотні тисяч разів без деградації. Гібридна система зберігання енергії поєднує невеликий суперконденсатор для пікових навантажень і акумулятор для базової потужності може продовжити термін служби батареї шляхом зменшення напруження повторних високоточних висувних витяжок. Суперконденсатори на основі графенових або вуглецевих нанотрубних електродів особливо перспективні через їх високу поверхню і швидкозарядний зарядний режим зарядний зарядний зарядний режим.

4. Управління живленням та низьким рівнем живлення

За межами джерела живлення, як пристрій керує та споживає енергію, є однаково важливим. Значні вигоди можна досягти через алгоритми управління інтелектуальними живленнями та вибір компонентів.

Адаптивне відбору та передавання є однією з таких стратегій. Замість вибірки глюкози при фіксованій високій швидкості (наприклад, кожні хвилини), пристрій може динамічно регулювати частоту відбору проб на основі швидкості зміни цукру крові. Коли рівні глюкози стабільні, CGM може проявитися кожні п'ять хвилин і передавати дані, які нечасто. Коли глюкоза розвивається або швидко знизиться, система збільшує її вибір і швидкість передачі для забезпечення більш щільного контролю. Цей адаптивний підхід може зменшити середній спожива потужність на 40 до 60 відсотків без компромної безпеки.

Селеп режими і тригери прокидки дозволяють пристрою працювати некритичні підсистеми в період низької активності. Наприклад, радіо Bluetooth, яке часто є одним з найбільших споживачів електроенергії, можна розмістити в глибокому стані сну між запланованими передачами даних. Датчик CGM, контролер насоса і алгоритм процесор може аналогічно ввести низькопотужні стани, коли не активно потрібно. В режимі реального часу і набір заглуших пробок (наприклад, багато сигналів тривоги або виявлений пороговий переправлення глюкози) може привести пристрій назад до повної роботи в мілісекундний мікроархів життя.

Енергетичний алгоритм реалізації також має значення. Алгоритм керування, який обчислює показники поставок інсуліну, може бути реалізований в фіксованій точки арифмететики на мікроконтролері низької потужності, а не на процесорі цифрових сигналів живлення. Дослідники показали, що пропорційно-інтегрально-відновлювальний (PID) контролер або модель прогнозування контролю (MPC) алгоритм може працювати на мікроконтролері, що споживає менше 100 мікроватів у активному режимі, при цьому все ще зустрічають реальні вимоги регулювання глюкози. Вибір компонентів з правим балансом продуктивності та ефективності є ключовим інженерним рішенням, що кожен з штучний проектний проектний проектний проектний

Знижувальні та нормативні характеристики систем електроенергетики

Впровадження нової технології живлення в медичному пристрої, особливо, що безпосередньо контролює доставку інсуліну, вимагає перевірки жорсткої безпеки та нормативного затвердження. Адміністрація та лікарська справа США (FDA) та міжнародні органи, такі як Міжнародна електротехнічна комісія (IEC) встановили стандарти для медичного обладнання, включаючи безпеку акумулятора, електромагнітну сумісність та управління ризиками.

Для систем збору енергії непередбачуваності джерела енергії вводить новий шар складності. Пристрій повинен бути розроблений для безпечної роботи навіть при умов збору врожаю є бідними і зданими;наприклад, якщо користувач є відступним протягом багатьох годин. Система, яка спирається на збирану енергію, повинна включати резерв резервного джерела енергії з достатною потужністю для підтримки критичних функцій за визначений період. Інструкція FDA щодо перезаряджувальних медичних пристроїв вимагає виробників для оцінки продуктивності пристрою на різних станах заряду і забезпечення того, що пристрій забезпечує попередження перед будь-яким втратою критичної функції.

Для бездротового передачі живлення, безпеки стосується центру на тканинному нагріванні та електромагнітному полі. Особливі показники поглинання (SAR) повинні бути задоволені, щоб забезпечити, що RF або ультразвукова енергія не викликає теплових пошкоджень. Індуктивні системи зарядки, що працюють на частотах нижче 1 МГц, зазвичай представляють мінімальний ризик, але далеко-field RF системи, що працюють на більш високих частотах, вимагають ретельного проектування антен і обмеження потужності. Сім'я стандартів IEC 60601 забезпечує каркас для тестування та перевірки таких систем.

Для сучасних акумуляторних хіміологій,, жаромабельність і токсичність залишаються ключовими проблемами. Акумулятори твердотілої залози властиво безпечніше, ніж рідкі електролітні батареї, але вони повинні бути як і раніше проходять суворі випробування для короткого замикання, перезаряджання і проколів. Керівництво UN випробувань і критерії (UN 38.3) є визнаним стандартом для безпеки літій- акумулятора, і аналогічні протоколи випробувань розроблені для появи хіміологічних засобів.

Системний дизайн

Прийняти нове джерело живлення не просто справа прокидання одного акумулятора на інший. Архітектура пристрою повинна бути розроблена з системою живлення.

Thermal management стає більш важливим при виробництві компонентів енергії генерують тепло або при бездротовій зарядці індуси виводити струми в сусідніх металевих частинах. Пристрій повинен розсіювати будь-який надлишк тепла без підвищення температури шкіри над безпечні межі (типово 4°Підняти над ембієнтом для медичних пристроїв в контакті з шкірою). Інженери повинні моделювати тепловий профіль пристрою в умовах гіршої зарядки та збору врожаю і можуть знадобитися включити теплорозширювальні матеріали або фазові елементи для управління гарячими точками.

Водяний і потовий інгрес] є стійким викликом для будь-якого зносу. Пристрій, який спирається на п'єзоелектричну або термоелектричну збирання може мати отвори або вентилятори, які піддають шкоди своєму рейтингу IP. Всі компоненти збирання енергії та бездротової зарядки повинні бути ущільнені від вологи, дозволяючи фізичним явищам (виброя, температура градієнт, магнітне поле) для досягнення активних елементів. Це часто вимагає нових стратегій згортання, таких як погони, тонко-фільтровані бар'єри, або трав'яні засті.

Форм фактор і комфорт] не можна жертвувати для інновацій системи живлення. Акумулятор, який тридцять днів, але робить пристрій двічі, як густий, навряд чи буде прийнятий. Інженери повинні працювати в тісній співпраці з промисловими дизайнерами та клінічними кінцевими користувачами, щоб забезпечити, що система покращує переклад в реальні переваги світу, не тільки теоретичні вигоди. Дослідження дизайну, орієнтовані на користувача, що зносостійкість і розсуд є пріоритетами для людей, які живуть з діабетом, часто рейтингають над терміном служби батареї в опитуваннях.

Майбутні перспективи та шлях вперед

Запитання для справді всіх джерел живлення штучних підшлункової залози є багатопрофільним кроком, який охоплює науку, електричну інженерію, біомедичну інженерію та регулятивну науку. Жодних технологій, ймовірно, не забезпечує повного рішення; замість того, найбільш успішні системи інтегруватимуть декілька підходів у цілісній архітектурі живлення.

Плазний найближчий сценарій для наступного покоління пристроїв є гібридною системою, що поєднує в собі невеликий твердотільний акумулятор для базової потужності, суперконденсатор для пікових навантажень, а також індуктивну бездротову систему зарядки, яка дозволяє користувачеві заряджати пристрій протягом 15 до 30 хвилин на добу, виконуючи інші заходи. Збір енергії з руху тіла або тепла може служити додатковою верхньою лінією, що розширює інтервал між обов'язковими заряджаннями з одного дня до трьох або чотирьох днів.

Довгострокові дослідження досліджують більш радикальні поняття. Біопаливо клітини, які фіксують енергію безпосередньо від глюкози тіла, можуть теоретично забезпечити безперервну потужність протягом тижнів або місяців без будь-яких зовнішніх зарядок. Забарвлені пирогееелектричні збиральні комбайни, які захоплюють енергію від побиття серця або руху скелетних м'язів, можуть повністю внутрішні штучні системи підшлункової залози, які вимагають ніяких зовнішніх компонентів на всіх стадіях. Хоча ці ідеї залишаються в лабораторному етапі, вони вказують на майбутнє, в якому штучний підшлунок дійсно самодосягнення.

Співпраця між акадмією, галузевими та нормативними агентствами буде важливим для подолання залишилися родзинки. Організації, такі як JDRF та Американська асоціація діабетів, які фінансуються ранньоступеневими дослідженнями в системах живлення для пристроїв діабету, тоді як компанії, такі як Medtronic та Insulet, продовжують натискати межі комерційного дизайну продукту. Тим часом FDA опублікував керівництва щодо безпеки та очікування для перезаряджувальних медичних пристроїв, що забезпечують чітке регулювання.

В кінцевому підсумку успіх будь-якого енергетичного рішення буде судити його вплив на результати пацієнта. Пристрій, який повинен перезаряджати кожні 12 годин, але досягає відмінного глікологічного контролю може бути менш привабливим, ніж один, який працює протягом трьох днів з дещо менш точним контролем. Знаючи правильний баланс між надійністю, розміром пристрою, зручністю користувача та клінічною ефективністю вимагає постійного діалогу з людьми, які зношують ці пристрої щодня. ) Фонд діаТрибе та іншими групами адвокації пацієнтів забезпечують неоцінні форуми для цього обміну, забезпечуючи тим, що голоси тих, що живуть з діабетом, направлять інженерні рішення, які формують їх лікування.

Як штучна підшлункова залоза продовжує розвиватися з концепції дослідження в основну терапію, джерело живлення залишиться визначальним функціям, яка визначає, чи вдалося пристрій або не в реальному світі використання. З інноваційними підходами тепер під розвитком та зрадою; від енергозберігаючих та бездротової зарядки до передових батарей та інтелектуального управління живленням & мдаш; метою дійсно все-день, має безпрограшний штучний підшлунок переміщається в межах досягнення. Поєднання інженерної творчості, суворого тестування безпеки, і пацієнт-центрований дизайн в кінцевому рахунку доставить на обіцянку автоматизованої доставки інсуліну, що дійсно звільняє людей від постійного навантаження цукрового управління.