מכשירים ביו-רפואיים המופעלים באמצעות אנרגיה של גוף

התקדמות בטכנולוגיה ביו-רפואית מעצבת מחדש את שירותי הבריאות, מה שהופך את המכשירים יעילים יותר, ידידותיים למשתמש, ועולה. בין החידושים המבטיחים ביותר הוא פיתוח של מכשירים ביו-רפואיים המופעלים על ידי הפעלת אנרגיה מהגוף האנושי עצמו.על ידי המרת תנועות גוף טבעיות – כגון הליכה, נשימה, או זרימת דם – לצומת חשמלי, מכשירים אלה להפחית או לחסל את הצורך בסוללות קונבנציונליות, ובכך לשפר את תוחלת החיים, תחזוקה רפואית, צמצום של אנרגיה חיצונית, ולהפחית את הפחתת כמות מספקת של חומרים חשמליים, תוך כדי הצצה אישית, ולהפחית את האנרגיה של אנרגיה, תוך כדי הצצה אישית, תוך כדי טמפרטורות, ולהפחית את כוח סביבתית, תוך כדי הצצה, תוך כדי הצצה אל תוך כדי קיבולת חיצונית, תוך כדי קיבולת נמוכה יותר, תוך כדי הצצה אל תוך אנרגיה, תוך אנרגיה מתחדשת של אנרגיה, תוך כדי קיבולת אנרגיה, תוך כדי קיבולת נמוכה יותר, תוך כדי הצצה של אנרגיה מתחדשת של אנרגיה, תוך כדי קיבולת תקשורת, תוך כדי קיבולת תקשורתית, תוך כדי קיבולת אנרגיה מתחדשת, תוך כדי קיבולת, תוך כדי הצצה, תוך כדי קיבולת תקשורת, לחץ דם, תוך כדי קיבולת אנרגיה מתחדשת של אנרגיה מתחדשת של אנרגיה, לחץ פיזיות

מה הם מכשירים ביו-רפואיים חזקים?

מכשירים ביו-רפואיים מופעלים בעצמם הם מכשירים רפואיים המייצרים אנרגיה מבצעית משלהם מהגוף המארח או הסביבה הסובבת.בניגוד שתלים מופעלים על סוללות מסורתיות או עונדים הדורשים תחליף תקופתי – לעתים קרובות באמצעות ניתוח פולשני – מכשירים אלה משלבים טכנולוגיות קציר אנרגיה כדי ללכוד ולהמיר אנרגיה מכנית, תרמית או ביוכימית לחשמל הניתן לאספקת חשמל.

הרעיון צבר דחיפות כביקוש סבלני לפתרונות רפואיים פולשניים יותר, ארוכים יותר, גדל.סיבוכים הקשורים לסוללות, כגון כשל מכשיר, סיכונים חלופיים כירורגיים וסילוק חומרים רעילים, מניעים את החיפוש אחר חלופות.המכשירים המופעלים על ידי עצמי מבטיח לא רק נוחות מוגברת של המטופל אלא גם נתיב לעבר יותר FLT:0ecological אחראית על בריאות 24:1), שיקול חשוב יותר ברפואה המודרנית.

כיצד אנרגיה של הגוף אנרגיה קצירת עובדים

הגוף האנושי הוא מקור עשיר של אנרגיה קינטית.כל פעימות לב, צעד, נשימה או התכווצות שרירים יוצר עקירה מכנית שניתן לתפוס ולהפוך לאנרגיה חשמלית.כמה עקרונות פיזיים מאפשרים המרה זו, כל אחד עם יתרונות שונים אתגרים עיצוביים.הטכניקות הנחקרות ביותר הן משככי כאבים, טריבואלקטריות, אלקטרומגנטיות, ותרמואלקטריות (למרות שתרמואלקטריות מסתמכת על ⁇ טמפרטורה ולא על תנועה זו, אנו מתמקדים במנגנונים מכניים).

▪ אנרגיה חשמלית קצירת

חומרים ⁇ (כגון עופרת zirconate titanate (PZT), פוליווינילidene fluoride (PVDF), ו-Acrot תחמוצת חלקיקים חד-חמצני - generate a חשמלית מטען כאשר הוא מפורש באופן מכני: כאשר משולב בתאים גמישים, חסימת נעליים או מכשירים מותאמים למניעה, הם יכולים ללכוד אנרגיה מתנועות גוף שגרתיות, מתפתלות, או ממתחילים, במיוחד עבור קוצר רוח רפאים נמוכה.

אחד הפיתוח הבולט הוא השימוש בסרטים ⁇ אלקטריים עטוף סביב כלי דם או הלב עצמו.על ידי המרת הכפיית קצב של עורקים לתוך זרם חשמלי, החוקרים מפעילים חיישנים בקנה מידה קטן עבור ניטור תפקוד לב.עם זאת, אתגרים נשארים בקידוד ההפיכה בין המקור המכאני לבין הקציר, כמו גם הבטחת תאימות ביולוגית לטווח ארוך עמידות מכנית.

Triboelectric Nanogenerators

ננוגני חמצון (TENG) עובד על העיקרון של סלקציה מגע: כאשר שני חומרים שונים נוגעים ולאחר מכן נפרד, מטען אלקטרוסטטי מצטבר.על ידי שוב ושוב יצירת קשר ושבר מגע - למשל, באמצעות עור משפשף נגד מרקם או תנועות שרירים נגד פולימר גמישות - TENGs יכול לייצר שינוי הנוכחי.

מכיוון ש- TenGs פועלים ביעילות בתדרים נמוכים (המועילים לתנועות אנושיות), הם אידיאליים לקצירת אנרגיה עונדת.חוקרים יצרו 10G-based Shoes הכניסות של GPS, שעונים חכמים, או לפקחי טבע רק מהליכה.יש צורך מעורר אחר (FLT:0) מערכות הפעלה עצמית המופעלות על ידי השתלות תרופות, אשר משחררות תרופות בתגובה למפתחות הטבעיות, ומפחיתות את קצב הראייה העצמית של 20G2, אך מקצבות את קצב פעילות גופנית.

אנרגיה אלקטרומגנטית

קצירים אלקטרומגנטיים הופכים תנועה מכנית לחשמל באמצעות חוק החדירה של פאראדיי (Preaday's law of Induction) A מגנטי עובר דרך סליל של חוט כמו הגוף נע, ומייצר זרם.גישה זו יכולה לייצר תנודות כוח גבוהות יחסית, והוא מתאים גם לתנועות גדולות יותר כגון נדנדת זרוע או תנועת רגל במהלך הליכה.

המיניגלגלות נותרה אתגר, כמו גנרטורים אלקטרומגנטיים יעילים בדרך כלל דורשים עקירה משמעותית.עם זאת, ההתקדמות במערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS) יצרו סלילים מגנטיים זעירים שיכולים לקצור אנרגיה מרטטים נמוכים, כגון אלה מטרמורי שרירים או הדופק עורקים הקרוטויד. חלק מהחוקרים שילבו מנגנונים אלקטרומגנטיים ומדמצמיים לתוך קצירים היברידיים כדי להרחיב את רוחב הפס של תדרי תנועה שנתפסו.

Thermoelectric and Biochemical Harvesting (Brief Review)

בעוד לא רק מבוסס תנועה, גנרטורים תרמואלקטריים מנצלים את ההבדל הטמפרטורה בין הגוף (סביב 3 ° C) ואת הסביבה הממוקדת (לעתים קרובות נמוך יותר) כדי ליצור מתח באמצעות אפקט Seebeck. אלה יכולים להשתלב לתוך עונדים כמו פסים לחיישנים בריאות כוח.ביוכי קצירים להשתמש גלוקוז או נוזלים פיזיים אחרים בתאי דלק אנזים, המרת אנרגיה כימית לתוך חשמל משלימים שיטות כדי ליצור מטבולית של פעילות משולבת.

יישומים של מכשירים ביו-רפואיים עצמיים

היכולת לייצר כוח מתנועת הגוף פותחת אפשרויות עצומות על פני אבחון, טיפולים וטכנולוגיות מסייעות. להלן הם אזורי יישום מרכזיים, כל אחד מהם נהנה מחיסול מקורות כוח חיצוניים.

עקבו אחרי Health Monitor

מכשירים לבישים שעוקבים אחר קצב הלב, חמצן דם, אלקטרוקרדיוגרם (ECG), או טמפרטורת העור הם ubiquitous.רוב עדיין מסתמכים על סוללות ליתיום-יון שזקוקות לטעינה יומית.

מכשירים רפואיים מותאמים

ייתכן שהיישום הטרנספורמציי ביותר הוא במכשירים מושתלים.FLT:0Pacemakers באופן מסורתי דורש החלפת סוללות כירורגית כל 5-10 שנים חיקויFLT:1 ; קוצני קצב המופעלים על ידי עצמים, אשר קצירים אנרגיה מההתכווצויות של הלב יכולים להימשך חיים של המטופל.

מערכות אספקת תרופות יכולות גם להיות מופעלות על ידי הפיכה של סוחר תנועה עם משאבה מיקרו-השפעה, תרופות ניתן לשחרר בתגובה אותות פיזיולוגיים או לוחות זמנים לפני התחלה ללא כוח חיצוני.לדוגמה, משאבת אינסולין מושתלת יכולה להשתמש בהילוך הליכה כדי להניע מיקרו-pump, מתן מנות מדויקות תוך חיסול ערכות סוללות גדולות.

מכשירים מסייעים ואסתטיקה

(ההתקני האסתטיקה והאומטיים של המשתמש צורכים אנרגיה משמעותית במהלך השימוש.מנגנונים המופעלים על ידי העצמי יכולים ללכוד אנרגיה מתנועות האיברים השוכנות של המשתמש או מהמחזור האגאי עצמו:0.10.000 עוצמה עצמית מונעת הברך (FLT:1) עלולה לקציר אנרגיה במהלך שלב הנדנדה כדי לכפות על עצמו את הצורך בסוללות כבדות, חמות, בדומה ל-F2 חכמים, כדי לזהות נקודות לחץ דם ונקודות פחמן, תוך כדי הפעלת לחץ דם מופעלות, תוך כדי הפעלת לחץ דם מופעל על ידי לחץ דם.

חיישן אבחון וטלמטארי

קפסולות אימגום (למשל, קפסולת טונוסקופים) שנוסעים דרך מערכת העיכול דורשות כוח חזק להעביר תמונות ברזולוציה גבוהה.תנועת הגוף - כגון תנועה peristaltic - עשויה להשלים או להחליף את הסוללות המשמשות כיום, ומאפשרות בדיקות ארוכות יותר וקפסולות קטנות יותר.

יתרונות ואתגרים

יתרונות

• (FLT:0) העברת חיי המכשיר: FIRLT:1 אין מחיקת סוללות פירושה מכשירים יכולים לפעול במשך עשרות שנים, במיוחד ביישומים בעלי כוח נמוך.
• (FLT:0) ,הצורך בניתוח פולשני: מטופלים נמנעים מניתוחים חוזרים לחליפה של סוללות, הורדת סיכונים, עלויות וזמן ההתאוששות.
• (FLT:0) שיפור נוחות המטופל: FLT:1 Smaller, מכשירים קלים ללא ערכות סוללות גדולות ניתן ללבוש או מושתל עם ארגונומיה טובה יותר.
• (FLT:0) היתרונות של ההנעה:FLT:1 סוללות חד פעמיות פחות להפחית פסולת רעילה (ליתיום, קדמיום, כספית) וכריית משאבים.
• (FLT:0)פונטי עבור פעולה רציפה: FLT:1 כל עוד החולה חי וצעדים, המכשיר יכול לתפקד, בתנאי איסוף האנרגיה תואם דרישות כוח.
• (FLT:0)Wireless and האוטונומיה: FLT:1Build-Power Device יכול לשלב העברת נתונים אלחוטית ללא צורך בחשמל מחווט, המאפשר ניטור בריאותי מרחוק אמיתי.

אתגרים

• (FLT:0) Power פלט מגבלות:FLT:1 תנועות האנרגיה של הגוף הן נמוכות - באופן חד-משמעי עשרות עד מאות מיקרו-וואט לסנטימטר מרובע - הרבה מתחת למילימטרים הדרושים עבור שתלים פעילים רבים.
• (FLT:0) זמינות אנרגיה עקבית:FLT:1 Motion משתנה עם פעילות המטופל, שינה, גיל ומצב בריאות. מטופל sedentary עשוי לא לספק מספיק אנרגיה למכשיר שתלוי בכוחות הליכה או נשימה.
• (FLT:0) ביו-זמינות ובטיחות: FIRLT:1 , חומרי קציר (למשל, להוביל PZT, מתכות כבדות במגנטים) יש לחדור או להחליף חלופות לאותיות ביו-איות.
• (FLT:0) רגישות ועייפות: FLT:1, קצירים גמישים חייבים לעמוד במיליוני מחזורי עיוות ללא השפלה.כשלים מכניים יכולים להוביל לתקלות או נזק לרקמות.
• (FLT:0) מילימטר ואינטגרציה:FLT:1Building Energy Harvester, מעגל ניהול חשמל, מחפיר אחסון, חיישן, ו משדר אלחוטי בחבילה זעירה, חתומה המטמטית היא אתגר הנדסי מורכב.
• (FLT:0) ,regulatory hurdles:FreaLT:1) מכשירים רפואיים המופעלים על ידי העצמי חייבים לעבור FDA קפדני או אישור CE.מחיש אמינות לטווח ארוך ובטיחות בניסויים קליניים הוא זמן רב ויקר.
• (FLT:0) אחסון ומיזוג: FLT:1 רוב הקצירים מייצרים שינוי נוכחי (AC) בתדרים שונים וגלומים. Rectification, רגולציה מתח, אחסון זמני (capacitors או סוללות דק דק דק דק) נדרשים לספק כוח DC יציב.

מחקר וחדשנות נוכחיים

מחקר במכשירים ביו-רפואיים המופעלים על ידי עצמי הוא מאיץ, עם פריצות דרך דיווחו כמעט חודשיות.אוניברסיטאות, מעבדות פרטיות וחברות מכשירים רפואיים משתפים פעולה כדי להתגבר על האתגרים המתוארים לעיל.

חומרים מתקדמים

(ב) חומרים ⁇ (FLT:0) ⁇ ⁇ חלקיקים חדשים (FLT) מוטבעים במריצות פולימר, מציעים יעילות גבוהה תוך היותו ללא עופרת והתאמה ביולוגית, בדומה, FLT:2MXenesphphFLT 3: (שני-ממדי מעבר מתכת carbides) נחקרים כשכבות משולשות עם תכונות מצוינות בייצור של סרטן.

יבולים היברידיים

(ל) להתגבר על ההתחייבות של מקור אנרגיה יחיד, מערכות היברידיות משלבות מנגנונים רבים של קציר.לדוגמה, מכשיר בעל כורה יד עשוי להשתמש בלהקות אדזואלקטריות לתנועה, תיקון תרמואלקטרי לחום הגוף, ותא סולארי לאור מתפתל.

Ultra-Low-Power Electronics

התקדמות במקביל באלקטרוניקה בעוצמה נמוכה מפחיתה באופן דרמטי את תקציב האנרגיה הדרוש לחישה ותקשורת. מחשוב מחשובי חשמל מסוג 1 עם מיקרו-בקרים כמו ARM Cortex-M0+ צורכת רק מיקרו-וואט למיליון הוראות. פרוטוקולים אלחוטיים חדשים (אנרגיה נמוכה כחולה, Zigbee Green Power, או אפילו תקשורת אחורית) מאפשרים נתונים עם דרישות מופחתות של מספר.

בדיקה וניסויים קליניים

כמה קבוצות עברו מעבר להפגנות ספסליות למחקרי בעלי חיים. צוות ב-FLT:0 University of California, Los AngelesveFLT:1 דיווח על nanogenerator תלת-חשמל שהושתל בעכברוש אשר הקציר אנרגיה מהנשימה של החיה ומניע חיישן טמפרטורה אלחוטית.2Zhejiang UniversityFLT:3 נבדק בהצלחה לפקח גלוקוז מופעל על ידי אדם באמצעות ציון דרך גמיש (FLT)

שוק ו-Outlook

(השוק העולמי לאספקת אנרגיה במכשירים רפואיים צפוי לגדול מ-420 מיליון דולר ב-2023 ליותר מ-1.2 מיליארד דולר עד 2030, על פי דיווח של FLT:0 View Research FigtureFLT:1 (FLT:2sources) בעוד ש-IoT-FLT 3 (הביקוש ל-DyFLT) הוא מספר 7LFlasticials) של תרופות ל-Rateicials (D) ו-Flasticials for the Starts for the Starts for a Energy, 7Flasterance)

תחזית עתיד

במבט קדימה, מכשירים ביו-רפואיים מופעלים על מנת להפוך לאבן הפינה של תרופות מותאמות אישית ופרואקטיביות.As Materials Science, ננוטכנולוגיה ואלקטרוניקה אולטרה-עוצמה ממשיכים להתקדם, החזון של FLT: השתלות אוטונומיות לחלוטין (FLT:1) שמשך חיים שלמים - או אפילו לא מזיק לאחר השימוש - מזיזות את המציאות.

מגמות מפתח לצפייה כוללות:

• (FLT:0) אינטגרציה של בינה מלאכותית FLT:1 ישירות על המכשיר כדי לעבד נתוני חיישן באופן מקומי, צמצום הצורך בהעברה אלחוטית קבועה והצלת כוח.
• (FLT:0) העברת כוח ללא תשלום כגיבוי של 1FIRLT – שימוש בהפיכה אינדוקטיבית או אולטרסאונד "להעלי" מכשיר כאשר קוצר תנועה אינו מספיק, הבטחת אמינות ללא היסוס.
• (FLT:0) קצירי אנרגיה הניתנים לדרגה 1) עשויים מחומרים בלתי פתורים להשתלתים זמניים (למשל, צגים לאחר הניתוח, ביטול תקופת הריפוי, ביטול ניתוחים רטיוולים.
• (FLT:0) מקציני מקור רב-מקורות (Multi-source HarvestersFLT:1) המשלבים תנועה, חום ואנרגיה ביוכימית לחבילה משולבת יחידה, ומספקים כוח חזק ללא קשר לפעילות המטופל.
• (FLT:0) מערכות טיפוליות של קק"ל:1), שבו המכשיר לא רק עוקב אחר מצב אלא מספק טיפול (שחרור סמים, גירוי חשמלי) באמצעות אנרגיה שנאסף מהגוף של המטופל עצמו - ללא הפסקה "מעצמה" עצמה.

לבסוף, דחיפה לעבר מטרות סביבתיות גלובליות:0 (הרחבה של מערכת הבריאות של הבריאות) יזרז את ההשקעה.הפחתת פסולת הסוללה תואמת עם מטרות סביבתיות גלובליות, וגופים רגולטוריים עשויים להתחיל בריכוז עיצובים ללא סוללות, בעוד אתגרים נשארים, ההתקדמות כפי שנראה בעשור האחרון מרמז כי בתוך חמש עד עשר שנים הקרובות, קוצני קצבים המופעלים על ידי כוח עצמי, גלוקוז, ומריצים עצביים יכולים להיות זמינים באופן מסחרי, ובכך להפוך מיליוני אנשים בטוחים יותר, ומאובטחים, יותר, על ידי מתן יותר, יותר, יותר, על ידי פיתוח חיים רפואיים נוחים יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, ובאופן בטוח יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, על ידי מתן יותר, על ידי מתן יותר, יותר, יותר, על ידי מתן יותר, על ידי מתן יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, על ידי מתן יותר, על ידי מתן יותר, על ידי מתן יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, יותר, על ידי מתן יותר, יותר, יותר, יותר, על ידי מתן יותר, על ידי מתן יותר בטוח יותר, על ידי מתן יותר

מסקנה

מכשירים ביו-רפואיים המופעלים על ידי קצירת הגוף אנרגיה מייצגים שינוי פרדיגמטי בעיצוב מכשירים רפואיים.על ידי המרת אנרגיה קינטית מתנועות יומיומיות לחשמל, מכשירים אלה פורצים חופשי מהמגבלות של סוללות, המציעים תוחלת חיים מוגברת של מכשירים למכשיר, התערבות כירורגית מופחתת, ושיפור נוחות המטופל.טכנולוגיות כמו קצירי משככי כאבים, מה שהופך את nanogenerators גמישות יותר, וממירים אלקטרומגנטיים הם מתמצילים בהתמדה, נתמך על ידי חומרים מתקדמים יותר בתחום הבריאות, בעוד שעדיין פחות כוח סיכון יעיל יותר, בעוד שעדיין פעיל יותר, בעוד שמפתחים, בעוד שעדיין פעיל יותר, בעוד שמפתחים יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כוח סיכון יעיל יותר, כמו משחק יעיל יותר, כוח סיכון יעיל יותר, כוח פיזי חזק יותר, פעיל יותר, ואפקטיבינואלקטריקטיבי של אנרגיה גמיש יותר, כוח סיכון יעיל יותר, כמו משחק יעיל יותר, כוח חיים טכני פעיל יותר, כמו משחק יעיל יותר, כמו משחק יעיל יותר, ואפקטיבי יעיל יותר, פעיל יותר, פעיל יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו משחק יעיל יותר, כמו גם כן, פעיל יותר, כמו משחק יעיל יותר, כמו גם מתחמי מקצוען יעיל יותר, כוח סיכון יעיל יותר,