Overview of Wireless Power Transfer in Neural Implants

وقد برز نقل الطاقة اللاسلكية كتقنية أساسية للجيل القادم من الأجهزة العصبية المزروعة، وهي تعالج القيود الحرجة للنظم التقليدية التي تعمل بالبطارية، وتعتمد الزرع العصبي المبكر على أسلاك مترجمة أو خلايا أولية ضخمة، وتحتاج إلى استبدال جراحي متواتر، وتسجل مخاطر الإصابة، والفشل الميكانيكي، والارتباكات التي تسببها المرضى.

السياق التاريخي والحدود الحالية

ويعود مفهوم نقل الطاقة اللاسلكية إلى الجسم إلى أوائل القرن العشرين، ولكن التطبيقات العملية للأجهزة القابلة للزراعة لم تنضج إلا في التسعينات مع التقلبات الحثية في النسيج الكشلي، ومع ذلك، فإن الجيل الأول يعاني من ضعف الكفاءة، ومن متطلبات التواؤم الصارمة، وعمق محدود من التغلغل، وتستهدف البحوث الحديثة هذه أوجه القصور عن طريق تحقيق أقصى قدر من التداخلات الرجعية، والعقبات في إدارة الظواهر الجيولوجية.

Core WPT Technologies for Neural Devices

وتتناسب مختلف طرائق منع الاحترار الشامل مع مختلف المواقع الطماوية، وأحجام الأجهزة، ومتطلبات الطاقة، فالتكنولوجيات الرئيسية الأربع المستخدمة في الزرع العصبي هي الانقلاب الاستباقي، والجمعيات الأسرية، ونقل الترددات اللاسلكية، والنقل البصري، وكل نهج يقدم مزايا ومبادلات متميزة تؤثر على قابلية تطبيقه السريري.

الأزواج المؤثرون

وتُستخدم النسيجات المُستحثة كتلة أولية خارج الجسم، ومسدس ثانوي مُزرع داخل الأنسجة، ويُنتج عن التيار في الفحم الخارجي حقل مغناطيسي يحفز على حدوث تيار في الفحم المُزرع، ويُستخدم فيه عدد قليل من تقنيات التكيّف الجامدة في النسيج الرئوي في النسيج الرئوي (FLT:1]).

التقارب الأسري

فالجمعات الكفاءات تنقل الطاقة من خلال حقول كهربائية بين لوحاتين معدنيتين: جهاز إرسال خارجي وجهاز استقبال مجهز بالزراعة، بخلاف التقلبات المحفزة، لا تتطلب مواد مغناطيسية ويمكن أن تكون أكثر اتساما بالسوء، وهذا النهج جذاب بوجه خاص بالنسبة للتطبيقات التي يقترب فيها الزرع من سطح الجلد، مثل أجهزة الانقلاب العصبية المتزامنة، غير أن النسيج الكهربائي أكثر قوة في النسيج.

النقل

ويستخدم نقل الأحواض الكهرومغناطيسية في نطاق الميغاهرتز إلى غاغارتز لنقل الطاقة على مسافات عدة سنتيمترات إلى بضعة أمتار، وهذه التكنولوجيا مثالية لنظم التحفيز في أعماق البحار، حيث يُثبت الزرع تحت الجمجمة والضغط.

التحويل البديل

ويستخدم برنامج " الاختبار الضوئي " الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء أو المرئية لإيصال الطاقة من خلال الجلد والأنسجة إلى جهاز استقبال فولطائي مصورة على الزرع، ويتيح هذا النهج توجيهاً مكانياً دقيقاً ويتجنب مسائل التدخل الكهرومغناطيسي المشتركة في نظم الترددات الترددية، غير أن التشتتتت الضوئي واستيعابه من خلال الأنسجة يحد بشدة من عمق وكفاءة أقل من 1 سمة بالنسبة لمستويات البصرية العملية.

الابتكارات والاختبارات الأخيرة

ومنذ المادة الأصلية، حققت عدة تكنولوجيات انطلاق تقدماً في مجال التكاثر الحاد في الزرع العصبي، وتعالج هذه الابتكارات الكفاءة والتقليل إلى أدنى حد والسلامة السريرية.

الأزواج المتوافقون

وتستخدم نظم التقارب الرجعي الاصطناعي في الوقت الحقيقي رصد الازدحام وضبط التردد للحفاظ على النقل الأمثل للطاقة مع تغير ظروف الأنسجة، فمثلاً، يمكن لحركة رئيس المريض أو نمو الأنسجة الندوب أن يغيرا تردد النظام المصاحب، وقد أظهرت دراسة أجريت في عام 2023 نشرت في معاملات التوليد في الهندسة البيولوجية الطبية [تعدل بنسبة 80 في المائة] ضبط النسيج

تصميمات التعدين والتنميط

وقد أدى الاتجاه نحو الزرع الأصغر حجماً والمتفجرات الأقل إلى تطوير الفحم الميكروبي الصنع والحيوانات، حيث إن استخدام الدوائر المطبوعة المرنة، والخطوط المعدنية السائلة، والطباعة الثلاثية الأبعاد، ينتج الباحثون أكياساً تقل عن 1 ملم في قطرها، بينما لا يزالون يحققون انقلاباً كافياً في الطاقة، وعلى سبيل المثال، قام فريق في جامعة كاليفورنيا، بركلي، بتركيب

نقل الطاقة الميتامتيرية والسطحية العاطلة

فالهياكل المتطورة التي تتلاعب بالموجات الكهرومغناطيسية - يجري تطبيقها على محطة كهرباء كهرباء لتركيز الطاقة على شعاع أصغر وأكثر كفاءة، وبوضع ورقة قياسية رقيقة بين جهاز الإرسال الخارجي والجثة، يمكن للباحثين أن يعززوا الانقلاب المغناطيسي ويخفضوا الحقول المحيرة، ويحسنوا السلامة والكفاءة، ويستخدم نهج جديد آخر الجلد نفسه كموجة متحركة؛

تعزيز السلامة والمواءمة الأحيائية

ولا تزال السلامة هي الشاغل الرئيسي في مجال الاختبارات الاصطناعية فيما يتعلق بالزراعة العصبية، ويجب أن يُدار بعناية التدفئة من القضايا والتعرض الميداني الكهرومغناطيسي، وتدهور المواد لتجنب إلحاق ضرر بالمريض.

الإدارة الحرارية

وبالإضافة إلى ذلك، فإن خطر السلامة الأولي للاختبارات التراكمية هو تدفئة الأنسجة المحلية بسبب الخسائر المقاومة في الفحم النباتي والأنسجة المحيطة به، إذ أن الأجهزة التنظيمية مثل إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة، واللجنة الدولية لحماية الإشعاع غير المؤين، تحدد الحد الأقصى لدرجات الحرارة (])

المواد والمركبات المتوافقة بيولوجيا

(أ) جميع مكونات نظام WPT التي تتواصل مع النسيج البيولوجي يجب أن تكون قابلة للتعديل ومقاومة للتآكل، وتتحقق السلف في البوليميرات الطبية (مثلاً، برولين سي، وأجهزة التبريد السليكونية) وتُقدم المعاطف الخزفية التي تحول دون حدوث اعتداءات وإطلاقات إيونات معدنية، وقد ركزت البحوث الأخيرة على استخدام طبقات خليعة في آن واحد(24).

رصد الوقت الحقيقي والعائد

وتتزايد تجهيز نظم البرمجيات الحديثة ذات القدرة على القياس عن بعد التي تسمح للمستوصفين برصد توصيل الطاقة، ودرجة حرارة الأنسجة، وزرع النزاهة في الوقت الحقيقي، وهذه الحلقة المرتدة تتيح إجراء تعديلات استباقية - على سبيل المثال، مما يقلل من القدرة إذا بدأ الجلد في إظهار علامات على الريثماة أو إذا كانت الزرعة قد حصلت على الكهرباء تقل بصورة غير متوقعة، وتدمج بعض النماذج المتقدمة في أجهزة تبادل المعلومات الخارجية التي تتيح نقل البيانات

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

وفي حين أن تكنولوجيات الطاقة المتجددة الحالية قد أتاحت نجاحات سريرية بارزة، فإن الميدان لا يزال يتطور، ويجب التغلب على العديد من التحديات الرئيسية لتحقيق رؤية الزرع العصبي المستقل حقاً والطويل الأجل.

زيادة كفاءة النقل على فترات أطول

ومعظم الزرع العصبي يقع في غضون بضع سنتيمترات من سطح الجلد، ولكن الجيل القادم من الأجهزة - مثل أجهزة تحفيز الحبل الشوكي أو النواة العميقة - قد تتطلب توصيل الطاقة إلى عمق يتراوح بين 5 و 10 سم أو أكثر، كما أن أساليب التخصيب ونموذج الترددي تعانى من انخفاضات حادة في الكفاءة في هذه الأعماق.

تسخير الطاقة وإدارة الطاقة

(أ) أن استحداث تقنيات لجمع الطاقة - مثل الفطيرة أو الكهربية الحرارية أو الأساليب الثلاثية - مع القدرة على إحداث الاحترار - يمكن أن يقلل من الاعتماد على أجهزة الإرسال الخارجية، وعلى سبيل المثال، يمكن لنظام مختلط أن يجني الطاقة من تحركات الجسم (مثلاً، رقائق القلب أو المشي) لشحن ميكانيكي مكثف، بينما توفر وصلة سلكية أولية طلقات عالية القوة أثناء التلقيح العصبي

التكامل مع الاستخبارات الفنية والنظم المغلقة

ولا تتطلب الزرع العصبي مستقبلاً طاقة لاسلكية فحسب بل أيضاً تجهيز البيانات في الوقت الحقيقي وتحفيزها بالتكيف، ويجب أن تُصمم نظم القدرة على إحداث الاحترار العالمي مع الحمولة الحاسوبية للزرع؛ وعلى سبيل المثال، فإن شركة BCI التي تستخدم التعلم الآلي في التشريح النوايا الحركية ستتطلب متطلبات متباينة من الطاقة، وذلك عن طريق الجمع بين البرمجيات غير المتحركة وبين أنظمة الاستخدام غير الافتراضي للطاقة (مثلة).

هياكل التبني التنظيمية والعيادية

ويقتضي إدخال شراك جديدة في السوق إجراء اختبارات صارمة للتوافق الكهرومغناطيسي، والسلامة الحرارية، والموثوقية الطويلة الأجل، وقد أصدرت هيئة تنمية الموارد البشرية ووكالة الأدوية الأوروبية توجيهات محددة بشأن الأجهزة غير القابلة للزراعة اللاسلكية، ولكن وتيرة الابتكار كثيرا ما تفوق الأطر التنظيمية، فعلى سبيل المثال، قد يتطلب الاستخدام المقترح لنظم قياس القدرة على إحداث الاحترار الشامل في منتصف الميدان أو الميثامتريا معايير جديدة لتبسيط مسارات الاختبارات

الآثار المترتبة على تكنولوجيا الطب وقطع الأنظار

ولا تقتصر التطورات في مجال القدرة على إحداث الاحترار على زيادة - بل تتيح فئات جديدة تماماً من الوصلات العصبية التي كانت مستحيلة في السابق بسبب القيود المفروضة على الطاقة.

معالجة حالات الإضطراب العصبي

ويقضي التوليد اللاسلكي على الحاجة إلى استخدام أسلاك مغايرة أو استبدال البطاريات الجراحية الدورية، مما يقلل بشكل كبير من خطر الإصابة ويحسن نوعية حياة المرضى، كما أن ظروفا مثل مرض باركينسون، والصدر الأساسي، والمرض، والألم المزمن، تعالج بالفعل بمحركات عميقة الدراجات التي تتطلب تغيير البطاريات كل سنتين وخمس سنوات، كما أن النظم اللاسلكية الخفية جدا يمكن أن تكيف هذه الأجهزة طوال حياتها.

التخدير التالي: الاصطناعية وقطع الدماغ

وقد مكّنت هذه القنوات من إزالة النوايا من الإشارات الاصطناعية من تسجيلات مستمرة عالية الجودة من مئات أو آلاف الكهروديس، وتحتاج كل قناة إلى القدرة على التكاثر والرقمنة والتقدير عن بعد، كما أظهرت الاضطرابات التقليدية التي تصيب المرضى (مثل صفيفة Utah) التي تنتقل إلى مواقع معينة، وتقيّد حركة المرضى.

توسيع نطاق الوصول إلى العزلة العصبية

ومع نضج تكنولوجيا الاحتباس الحراري، فإنها يمكن أن تقلل من الحواجز التي تعترض تبني الناقلات العصبية في أوساط المرضى الأوسع، فالأجهزة التي يسهل زرعها جراحياً ولا تتطلب بطاريات خارجية قد تصبح معياراً للرعاية في ظروف مثل الاكتئاب أو البدانة أو التضليل، وقد يؤدي الجمع بين القوة اللاسلكية والتقليل من القدرة إلى الحد الأدنى في نهاية المطاف إلى تمكين شبكات التراب الرئوي غير المسبوقة.

خاتمة

إن نقل الطاقة بدون طيار تطور من فضول هندسي إلى تكنولوجيا حجر الزاوية للأجهزة العصبية المزروعة، والابتكارات الأخيرة في التقلبات المتكيفة، والميثامتيريا، والتجارب المصغرة، والإدارة الحرارية، هي التي تؤدي إلى تحسين كبير في الكفاءة والسلامة والقدرة على البقاء في مجال الطبقات، وهذه التطورات تدعم الاضطرابات العصبية الطويلة الأجل التي يمكن أن تؤدي إلى اختلالات في المعالجة.

For further reading on specific research breakthroughs, see ] this 2024 review on mid-field wireless power in Nature Biomedical Engineering] and the FDA’s guidance document on wireless medical devices ]here.]