مقدمة

وقد كانت الأجهزة الإلكترونية المزروعة بالبطارية الدورية حجر الزاوية في أمراض القلب الحديثة لعدة عقود، مما ينقذ الملايين من الأرواح من خلال أجهزة التسارع، وأجهزة التبريد التي لا تحتمل، وأجهزة إعادة الإغراق التي تُستخدم في إطار عمليات الاختراع، وعادة ما تُحدّ من مخاطر الاختلاط في نظم الاختلاط العاملة التي تُعدّ من خلال أجهزة التوليد الكهربائي التي لا تُعدّ.

إن التقدم الذي تحقق مؤخرا في الانقلابات الاستباقية، ونقل الطاقة المتردية، وجني الطاقة بالأشعة، والنظم القائمة على الموجات فوق الصوتية، قد اقتربت من الواقع السريري، ومن خلال توفير الطاقة بأمان وكفاءة من خلال الجلد والأنسجة، تعد هذه التكنولوجيات بالمرضى من قيود طول البطاريات، وتستكشف هذه المادة الحالة الراهنة للقوى اللاسلكية في الزرع في المستقبل، والتحديات الهندسية التي لا تزال قائمة.

الحاجة الماسة إلى طاقة لاسلكية في كاردياك

وعلى الرغم من فعاليتها المثبتة، فإن الأجهزة المتفجرة المرتجلة التقليدية تصيبها القيود الأساسية على مصدر قوتها، وكل عملية استبدالها تُدخل نافذة ضعف للمريض، ووفقا للبيانات الواردة من السجل الوطني للبيانات المتعلقة بالكارديوفازيين، فإن حدوث مضاعفات مثل الورم الوراثي الجيبي، والإصابة بالأجهزة، والضرر الرئيسي أثناء إجراءات الاستبدال يتراوح بين 2 في المائة و000 5 في المائة، مع ارتفاع معدلات بقاء الأشخاص في المستشفيات أو غير المجهزة.

وعلاوة على ذلك، كثيرا ما يحدث استنفاد البطاريات بصورة غير متوقعة، وعلى الرغم من أن المصنعين يقدمون منحنىات تقديرية طويلة الأجل، فإن الحياة الفعلية للبطارية تختلف عن الطلب على البطاريات، وبرمجة الأجهزة، وكيمياء البطاريات، ولا يمكن للجهاز الذي يعتمد على مصدر طاقة محدود أن يدعم سمات متقدمة مثل الرصد المستمر عن بعد، والعلاج العالي الجودة للكيمياء العقيمة، أو التشخيص الكثيف البيانات دون أن يزيل السرعة في نقل البطارية.

كما أن القوى المتعذرة تتصدى لتحد ديمغرافي متزايد، حيث يتوقع أن يرتفع عدد المرضى الذين يتلقون أجهزة الاستنشاق بالمبيدات الحشرية ارتفاعا حادا، وتتوقع منظمة الصحة العالمية أن يظل مرض القلب والأوعية الدموية بحلول عام 2030 السبب الرئيسي للوفاة، وأن يزداد الطلب على العلاجات التي يمكن زرعها تبعا لذلك، وأن يتحول الحد من الحاجة إلى عمليات جراحية متكررة إلى مسألة لا تتعلق فقط بالراحة وإنما بقدرة الرعاية الصحية والسلامة.

How Wireless Power Transfer Works for Medical Implants

والمبدأ الأساسي لنقل الطاقة اللاسلكية إلى الأجهزة المزروعة هو نقل الطاقة عبر حاجز الجلد دون موصلات مادية، والطاقة تولدها مصادر خارجية (محولة) ويلتقطها متلقي داخل الجسم، حيث تتحول إلى تيارات كهربائية لتحميل بطارية أو طاقة الجهاز مباشرة، ويتمثل التحدي الرئيسي في تحقيق كفاءة نقل الطاقة الكافية مع ضمان بقاء التدفئة في الأنسجة في حدود آمنة، وقد تم التحقيق في أربعة طرائق رئيسية فيما يتعلق بزرع البطاقات:

الأزواج المؤثرون

ويستخدم أسلوب " بوتيل " الأكثر تصميماً في استخدام المغناطيس، إذ إن الكول الرئيسي خارج الجسم يولد مجالاً مغناطيسياً متغيراً، مما يحفز على حدوث تطاير ثانوي مثبت في الزرع، ويتوقف على تحقيق الكفاءة في التوابل والمسافة، ويحافظ عادة على أنسب التوابل مع فصل أقل من 2 سنتاً.

وقد استخدمت الانقلابات الاسترشادية بالفعل في بعض النظم التجارية لشحن المحفزات العصبية وزرع الكشليك، وبالنسبة لأجهزة القلب، [(FLT:0])(a 2020) دراسة نشرت في معاملات المعهد الأوروبي للتعلم والهندسة البيولوجية الطبية () أظهرت نظاماً نموذجياً قابلاً للاختراع قادر على إعادة شحن بطارية سريعة من خلال 15 ملليمتر من الأنسجة المتحركة، مع 85 في المائة من الأنسجة النهائية.

تركيبة موحّدة

وبإضافة أجهزة مراقبة للأجهزة المحمولة على كل من أجهزة الإرسال والاستقبال، يؤدي الانقلاب الخفي إلى تحسين الكفاءة والتسامح إزاء سوء السلوك، كما يعمل النظام على تردد متواتر محدد في نطاق 100 كيلوهرتز إلى 10 ميغاهرتز - وهو ما يؤدي إلى نقل طاقة أقل فعالية عبر مسافات أكبر (حتى 5-10 سم)().

وقد استطلعت عدة أفرقة بحثية هذا النهج لصانعي الوترات الذين لا يملكون الرصاص، وهي أجهزة صغيرة ذاتية الصنع توضع مباشرة داخل القلب، ولأن مسرعي العجلات لا يملكون أي دليل على توسيع نطاقها إلى مولد دون المستوى، فهي تتيح فرصة فريدة من نوعها لتوليد طاقة لاسلكية كاملة.

Radiofrequency Energy Transfer

وتستخدم عملية نقل الطاقة اللاسلكية الهوائيات لتشعب الأمواج الكهرومغناطيسية بالترددات من 900 ميغاهرتز إلى عدة جيغاهرتز، وتحتوي الزرع على راحة (تحصين الهوائي) تحول الطاقة المتلقاة إلى طاقة في العاصمة، ويمكن لأساليب التردد أن تعمل على مسافات أطول من أجهزة توليد الطاقة في الأجل المتوسط، ولكن النسيجات المتوسطة الحجم تعاني من فقدان كبير في الترددات.

ويحقق الباحثون في تقنيات الأشعة ومرسلات الإرسال على مراحل لتركيز الطاقة على الزرع وتحسين الكفاءة، وقد أظهرت دراسة أجريت في عام 2021 من جامعة واشنطن وجود رصد القلبي المزود بالطاقة الكهربائية، الذي جمع 100 ميكروغرام من الأنسجة باستمرار، يكفي لإجراء قياس دوري عن بعد، وليس للمباعدة بين الترددات العالية، أما بالنسبة للمتجانسات التي تتطلب كميات قصيرة من الطاقة العالية (نحو 40 مركبا).

نقل الطاقة على أساس غير ملاحظ

ويستخدم الأشعة فوق البنفسجية موجات صوتية عالية التردد (من 1 إلى 10 ميغاهيرتز) لنقل الطاقة الميكانيكية من خلال الأنسجة، ويتلقى المتحولون الفائقون الخارجيون موجات عالية من الموجات فوق الصوتية، ويتلقى هذا التداخل من عنصر فائق الثياب الثاني على الزرع، ويحولون اليقظة الميكانيكية إلى أشعة كهربية.

The main limitation is that ultrasound requires good acoustic coupling and line-of-sight between the transmitter and receiver. Air pockets (for example, in the lungs) can block the beam, and the ribs can create shadowing. However, for subpectoral impltoral transl-wall maintain a consistent acoustic path.[FL23]

أهم الملاءمات على الأجهزة التقليدية ذات القوة البطارية

تنفيذ نقل لاسلكي للطاقة في زرعات القلب يمنح فوائد تمتد إلى أبعد بكثير من إزالة جراحة استبدال البطاريات:

  • Reduced surgical interventions.] Removing the need for birth replacement means patients undergo fewer operations over their lifetime. This decreases cumulative infection risk, lowers the incidence of pocket complications, and reduces the burden on surgical resources. For pediatric patients, who may need dozens of replacements over a lifetime, this advantage is transformative.
  • (ب) حجم أجهزة التجميل وتحسين الاصطناعيات. ) وتقييد الأجهزة المتفجرة المرتجلة الحالية بالبطارية التي تشغل جزءاً كبيراً من حجم الجهاز، مع بطارية أصغر أو بدون بطارية، يمكن التقليل إلى أدنى حد ممكن من الارتجالات، وتقترب أجهزة التسارع التي لا تقود من حجم كبسولة فيتامينية كبيرة، حتى أن القوة اللاسلكية يمكن أن تزرع.
  • Enhanced functionity.] Continuous power enables always-on monitoring, advanced diagnostics, and data- intensive features such as real-time arrhythmia detection with high-resolution electrograms. Devices could also support software updates and new treatment algorithms over the air, much like smartphones, without worrying about drain.
  • Improved patient safety and quality of life.] Patients no longer need to undergo repeated pre-operative assessments, hospital stays, or recovery periods. The psychological burden of knowing a tool will need replacement is eliminated. Additionally, wireless power opens the door to truly remote tool management, where a patient can recharge their implant from a wearable vest or pad.
  • (ب) على الرغم من أن نظم الشحن اللاسلكية تضيف نفقات مباشرة، فإن إزالة العمليات الجراحية البديلة، والمضاعفات المرتبطة بها، والتجهيزات في المستشفيات من المتوقع أن تؤدي إلى وفورات صافية.() وتشير النماذج الاقتصادية الصحية إلى انخفاض بنسبة تتراوح بين 40 و60 في المائة في التكاليف المتصلة بالأجهزة طوال العمر للمرضى الذين يعانون من تسارع في الطاقة اللاسلكية إذا أصبحت مستويات قياسية.

الحالة الراهنة للبحوث والمحاكمات السريرية

The field is moving rapidly from benchtop demonstrations toward clinical-grade systems. several universities and medtech companies are developing proprietary wireless power platforms. For instance, researchers at the University of California, Los Angeles, have built a fully implantable wireless power system for ventricular assist devices that uses a resonant inductive margin and a flexible receiver coil that conforms to the tool shape0 Their work, published in continuously

وثمة جهد ملحوظ آخر يأتي من معهد كارلينسكا في السويد، حيث قام فريق بتطوير جهاز كهرباء لا يُستهان به، يُجمع الطاقة من مُنتج يُوضع على الجلد، وفي دراسة حيوانية مؤلفة من 2022، نجح الفريق في تسارع وتيرة قلب الجرذان بالمعدلات الفيزيولوجية باستخدام الطاقة فوق الصوتية دون أن يُستخدم البطارية على متنها، ويعمل الفريق الآن على توسيع نطاق نظام التجارب البشرية.

وعلى الجانب التجاري، فإن شركة وايتريكيتي المعروفة بعملها في مجال شحن المركبات الكهربائية - المرخصة باستخدام تكنولوجيا التقارب المسببة للارتداد إلى شركة رئيسية لصنع الأجهزة القلبية، وفي حين أن التفاصيل لا تزال سرية، فإن الشراكة تقترح أن يكون نظام الطب السريري يمكن أن يخضع لدراسات جدوى، وبالمثل، فإن شركة ميترونيك وأبوت قد أعربت علنا عن اهتمامها بالطاقة اللاسلكية لصانعي الوتيرة العديمة ومصممي الأعصاب، حيث تستقبل العديد من البراءات.

وتحتاج إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة إلى اختبار دقيق لضمان أن التعرض المزمن للميادين الكهرومغناطيسية لا يسبب تسخين الأنسجة أو تحفيز الأعصاب أو التدخل في الأجهزة الأخرى المزروعة، وتقترح التوجيهات الأخيرة الصادرة عن هيئة الأغذية والتنمية بشأن الأجهزة الطبية اللاسلكية مسارا يشمل اختبار التوافق الكهرومغناطيسي والنموذج الحراري.

التوقعات المستقبلية والتحديات المتبقية

وعلى الرغم من التقدم الكبير، يجب التغلب على عدة عقبات قبل أن تصبح الطاقة اللاسلكية معياراً لزرع القلب:

السلامة والإدارة الحرارية

ولا بد أن يؤدي تسليم بعض أنواع الطاقة من خلال الجلد إلى تسخين بعض الأنسجة، إذ أن عتبة الضرر الحراري تناهز 6 درجات مئوية فوق درجة حرارة الجسم، ولكن الحدود التنظيمية تزيد من درجة حرارة الميكانيكية إلى درجة حرارة 2 درجة مئوية. ويمكن أن تُقلل الخوارزميات المتناقلة لمراقبة الطاقة من الطاقة استناداً إلى أجهزة استشعار درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، ولكن هذه المقاييس المضافية.

Interference and Electromagnetic Compatibility

وزرع الطاقه يجب أن يعمل بشكل موثوق به في وجود أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ومعدات التشخيص وغيرها من الأجهزة الطبية، وأجهزة نقل الطاقة اللاسلكية تولد حقول الكهرومغناطيسية قوية يمكنها أن تحفز التيارات على الخدع أو تزعج دوائر الاستشعار عن طريق الزرع، وتخفض التصميمات الجديدة التي لا تملك الرصاص هذه المخاطر عن طريق إزالة الخيوط، ولكن يلزم توفير در دقيق وتخطيط للترددات

التبني والقابلية للتأثر اليومي

ويجب على المريض، في حالة الشحن اليومي، أن يلبس أو ينام مع جهاز إرسال خارجي، وهذا يتطلب مصدراً للطاقة )مثلاً، بطارية في صدر، وبطاقة شحن على طاولة النوم( تكون ملائمة وموثوقة، وقد يقوم المهندسون باستكشاف الثياب الخلوية التي يمكن أن ترتدى مثل خنق الصدر، ولكن حركة الراحة والنظافة والامتثال لا تزال تثير القلق.

التنويم والتكلفة

وتخفض التكاليف في الوقت الذي تحافظ فيه على كفاءة بنسبة 50 في المائة من المواد غير المتحركة والتحدي في مجال التصنيع، وتزيد فيه مستويات إنتاج الطاقة في النيتاريوم، وتخفض فيها أسعار الأسلاك والمكونات المطبوعة المرنة، ولكن العناصر الإضافية ستزيد في البداية من سعر كل زرع.

التطلع إلى المستقبل، قد تمكن الطاقة اللاسلكية من توفير مجموعات جديدة من أجهزة القلب، وأجهزة التسارع الحيوية التي تذوب بعد بضعة أشهر، وأجهزة التنشيط الدقيقة التي يمكن حقنها للعلاج المستهدف، وأجهزة الصوم المغلقة التي توفر الطاقة بناء على الطلب من مصدر خارجي ملوثة كنقطة، والتكامل مع شبكات الاستشعار والاستخبارات الاصطناعية يمكن أن يسمح للجهاز بالتنبؤ بـ...

ومع استمرار البحوث، فإن تقارب نقل الطاقة بكفاءة، والمواد الذكية، والوضوح التنظيمي سيدفع الطاقة اللاسلكية من الفضول التجريبي إلى مستوى الرعاية، ومن المرجح أن يشهد العقد القادم أول نظم معتمدة سريريا تدخل السوق، في البداية لصانعي الوتيرة، وفي نهاية المطاف لجميع الأجهزة الصنعية القلبية، ويعني ذلك مستقبلاً إجراء عملية أقل قلقاً بشأن نوعية الحياة التي لم تعد تقاس في دورات البطاريات.