如今，醫(yī)療設(shè)備不僅越來越便攜，而且甚至可以吞服進(jìn)消化道。可消化的醫(yī)療電子設(shè)備成為又一創(chuàng)新熱點(diǎn)，但是這些電子設(shè)備往往需要在體內(nèi)駐留很長(zhǎng)時(shí)間，能量供應(yīng)是最關(guān)鍵的問題。然而，科學(xué)家們又是如何通過創(chuàng)新的方案，應(yīng)對(duì)這一難題的呢？

技術(shù)關(guān)鍵字

植入式醫(yī)療、無線能量傳輸

背景

近些年來，可消化的醫(yī)療電子設(shè)備例如可消化的內(nèi)窺鏡、胃起搏器、給藥器等等，逐漸成為便攜式醫(yī)療設(shè)備之外的又一創(chuàng)新熱點(diǎn)。

這些可消化的醫(yī)療電子設(shè)備，和傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備相比，具有體積小、創(chuàng)傷小、靈活、便捷的特點(diǎn)，并且可實(shí)時(shí)檢測(cè)和治療疾病。

例如：《這個(gè)微型傳感器就像你吞下的聽診器》一文中，John 就介紹過一種可吸收的傳感器，它可以檢測(cè)心率和胃腸道的呼吸。

(圖片來源于: Albert Swiston/麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室)

另外，還有一種由麻省理工學(xué)院研發(fā)的星型給藥設(shè)備，它折疊封裝于一個(gè)膠囊內(nèi)，一旦服下，可數(shù)周或者數(shù)月的逐漸給藥。

(圖片來源于: Melanie Gonick/麻省理工學(xué)院)

一般來說，這些可消化的電子設(shè)備需要在人的消化道里長(zhǎng)期駐留，進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)、胃腸道環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)放藥物等活動(dòng)，為了保證其在消化道內(nèi)穩(wěn)定有效地工作，持續(xù)、安全、穩(wěn)定的能量供應(yīng)顯得十分重要。

說起能量供應(yīng)，我們首先會(huì)想到電池。但是，電池應(yīng)用于這些可消化的醫(yī)療電子設(shè)備，有兩個(gè)重要缺陷：

電池可能無法和胃腸道的粘膜兼容，會(huì)引起人體不適。電池的生命周期有限，如果沒電了，又無法充電，那么必然要更換電池，可是在人體內(nèi)消化道內(nèi)更換電池不是一件容易的事。

但是，科學(xué)家們?nèi)晕赐Ｖ箤?duì)于電池的探索，麻省理工學(xué)院和布列根和婦女醫(yī)院科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)過一種“新型電池”，它由胃酸提供能量，給小型醫(yī)療傳感器或者給藥設(shè)備供電，使其在腸道可以駐留更長(zhǎng)時(shí)間。

（圖片來源于：麻省理工學(xué)院）

可是，這種方案也存在一個(gè)缺陷就是隨著時(shí)間的推移，電池的金屬電極有時(shí)候會(huì)停止工作。

那么，我們不禁要問：

除了電池以外，還有其它能量供給方案嗎？

創(chuàng)新

最近，麻省理工學(xué)院和布列根、婦女醫(yī)院科研團(tuán)隊(duì)和查爾斯斯塔克德雷珀實(shí)驗(yàn)室的科研人員進(jìn)行了創(chuàng)新探索，它可以通過無線能量傳輸?shù)姆绞剑瑸橄纼?nèi)的可消化的醫(yī)療電子設(shè)備供電。

（圖片來源于：麻省理工學(xué)院）

這項(xiàng)研究的論文于4月27日的發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》雜志上。論文的首作者是麻省理工學(xué)院的前研究生 Abubakar Abid，其它作者還有麻省理工學(xué)院的教授 Robert Langer、助理研究員 Giovanni Traverso 等。

簡(jiǎn)單一點(diǎn)說，它的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

通過身體外部的天線，向消化道內(nèi)的天線，進(jìn)行無線能量傳輸。而這些能量足以保證傳感器正常工作，例如檢測(cè)消化道環(huán)境、溫度、特殊營(yíng)養(yǎng)成本等指標(biāo)。

技術(shù)

接下來，聊聊這項(xiàng)創(chuàng)新采用的技術(shù)。

起初，研究人員考慮使用「近場(chǎng)耦合」的能量傳輸技術(shù)，即使用兩根天線，在非常近的距離內(nèi)傳輸能量。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)用于某些手機(jī)充電器中。

但是，因?yàn)榭上碾娮釉O(shè)備位于消化道內(nèi)，所以需要的能量傳輸距離是5到10厘米。

另外，為了保證一定的能量傳輸效率，就會(huì)要求接收端天線變得大一點(diǎn)。但是，作為需要進(jìn)入消化道的小型設(shè)備來說，體積必須足夠小才能便于吞服，所以這又造成了一對(duì)矛盾體。

在這樣的挑戰(zhàn)下，他們采用了一種「中場(chǎng)耦合」的能量傳輸技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的傳輸距離更長(zhǎng)了一點(diǎn)，能量傳遞效率也較高。

之前，斯坦福大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)過一種植入式的心臟起搏器，就采用過類似的技術(shù)進(jìn)行能量供應(yīng)。

（圖片來源于：斯坦福大學(xué)）

在研究過程中，研究人員通過模擬，評(píng)估了中場(chǎng)耦合的效率和特定的輻射吸收速率，如下圖所示：

（圖片來源于：參考資料【4】）

另外，為了測(cè)試中場(chǎng)耦合能否有效地將體外的能量，帶給消化道內(nèi)的設(shè)備，科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種可在活體組織中有效工作的天線。

隨后，他們用豬進(jìn)行測(cè)試，在它的身體外放置一個(gè)發(fā)射天線，分別在它的食道、胃、結(jié)腸這三個(gè)不同的位置放置接收天線。

經(jīng)過測(cè)量，傳輸功率分別是37.5 微瓦、123 微瓦 、173 微瓦，足以給體內(nèi)的電子設(shè)備供電，而且重要的是，不會(huì)損傷組織。

（圖片來源于：參考資料【4】）

價(jià)值

這項(xiàng)技術(shù)最大的價(jià)值，就是可以取代電池。

這種方型的天線邊長(zhǎng)6.8毫米，十分小巧，便于進(jìn)入消化道。但是，外部的天線可以做的更大點(diǎn)，從而可以提供更多的能量。

所以，這項(xiàng)創(chuàng)新為我們提供一種新的方式和思路，讓我們?cè)跒闊o線設(shè)備供電時(shí)，不再拘泥于電池。

另外，這項(xiàng)技術(shù)可以和其它電子技術(shù)進(jìn)行深度融合，進(jìn)一步應(yīng)用于傳感器、監(jiān)控、刺激或者驅(qū)動(dòng)方面。

未來

研究人員將繼續(xù)開發(fā)更多不同的方式，為消化道內(nèi)的電子設(shè)備供電，他們希望這些設(shè)備在5年左右的時(shí)間內(nèi)，可以用于人體測(cè)試。

據(jù)研究人員稱，他們還將更加仔細(xì)地分析動(dòng)物的尺寸、天線的深度、方向和傳輸?shù)纫蛩兀屇芰總鬏斪兊酶痈咝А?/p>