עתיד של מכשירים בלתי ניתנים להשתלות עם סוללות אלחוטיות

הנוף של הטכנולוגיה הרפואית עובר טרנספורמציה עמוקה, המונעת על ידי המרדף הבלתי פוסק של מכשירים בטוחים, נוחים יותר, ומסוגלים יותר טיפוליים.בין הגבולות המבטיחים ביותר הוא פיתוח של מכשירים רפואיים מושתלים שניתן להפעילם אלחוטית, שחרור מטופלים מהניתוחים פולשניים הדרושים כעת להחליף סוללות מדולדות.אבולוציה זו מבטיחה להגדיר מחדש טיפול בחולי, להפחית עלויות בריאות, ולפתוח רמות חדשות של מורכבות ותפקודי שלא היו בעבר בלתי פתיר.

כיום, מצב של מכשירים בלתי ניתנים להשתלות

מכשירים מודרניים - כולל קוצרים, מחלימים מותאמים ל-Cyoverter-defibrillators (ICDs), נוירוסנסמולטורים עבור כאב כרוני והפרעות תנועה, משאבות אינסולין, ושתלים cochlear - שיפרו באופן דרמטי את ההישרדות ואיכות החיים עבור מיליוני חולים ברחבי העולם.עם זאת, רוב המכשירים האלה מסתמכים על סוללות ראשוניות חתומות, ללא תשלום, יש להם חיים סופיים, בדרך כלל החל מחמישה שנים של טיפול כירורגי, לאחר טיפול תרופתי, לאחר טיפול תרופתי, כל אחד מהם הוא צורך, לאחר טיפול תרופתי, כל אחד מהם הוא טיפול תרופתי, לאחר טיפול תרופתי, לאחר מכן, כל אחד מהם הוא קבוע, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר טיפול תרופתי, כל אחד מהם הוא טיפול תרופתי, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, כל אחד מהם הוא קבוע, לאחר מכן, כל אחד מהם הוא טיפול תרופתי, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, כל אחד מהם הוא קבוע, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, טיפול תרופתי, כל אחד מהם הוא טיפול תרופתי, לאחר מכן, לאחר חמישה שנים של טיפול תרופתי, לאחר מכן, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, לאחר מכן, לאחר מכן, טיפול תרופתי, כל אחד מהם

הצורך בניתוחי החלפת סוללות גם מוסיף עלות משמעותית במערכות הבריאות בארצות הברית לבדה, עשרות אלפי הליכים חלופיים של גנרטור מבוצעים מדי שנה. מעבר למשקה הרפואי הישיר, המטופלים מתמודדים עם זמן התאוששות, פספסו עבודה וסיבוכים אפשריים שיכולים להוביל להשהות בבית החולים המורחבת. אתגרים אלה הניעו חוקרים ויצרנים רפואיים לחקור טכנולוגיות שיכולות לחסל או להפחית באופן דרסטי את תדירות ההתערבות כירורגית.

יתר על כן, מגבלות הכוח של סוללות נוכחיות להגביל את מה מכשירים יכולים לעשות. a קוצב, למשל, חייב לפעול על כוח נמוך מאוד בשנים האחרונות.זה מגביל את הכללה של תכונות מתקדמות כגון חישה ברזולוציה גבוהה יותר, שידור נתונים מתמשך, או מורכב על עיבוד אותות לוח.יותר יישומים כוח-hungry, כמו נוירוטימציה סגורה כי מאמת את הטיפול בזמן אמת, קשה להישאר עם תאים קבועים.

כיצד פועלת טכנולוגיית טעינה Wireless

העברת חשמל אלחוטית (WPT) עבור שתלים רפואיים מסתמכת על מספר עקרונות פיזיים, כל אחד עם עצירות ייחודיים יעילות, בטיחות וטווח.הגישה הבוגרת ביותר היא FLT:0inductive הפיכה FLT:1, אשר משתמש בשני סלילים - אחד חיצוני ואחד מושתל - להעביר אנרגיה באמצעות שדה מגנטי מחוספס.

גרסה מתקדמת יותר היא (FLT:0) מחלחלת להפיכה חינוכית (FLT:1), שבה שני סלילים מכוונים לאותו תדר החזרה.זה משפר את היעילות ומאפשר הפרדה גדולה יותר בין משדר חיצוני למקבל פנימי, כמו גם סובלנות טובה יותר עבור דיסמציה. החוקרים הוכיחו מערכות מהדהדות שיכולה לספק רמות שימושיות קלינית באמצעות מספר ס"מ של סנטימטרים, מה שהופך אותם לרקמות מתאימות יותר עבור מכשירים עמוקים יותר.

מעבר לשדות מגנטיים, (FLT:0) תדר רדיו (RF) אנרגיה קצירת אנרגיה (FLT) 1:1 ללכוד ambient or directeded RF אותות, ומזהיר אותם לתוך זרם ישיר. RF יכול להפיץ על פני מרחקים ארוכים יותר, כמות הכוח שניתן להעביר בבטחה מוגבלת על ידי קליטת רקמות ומגבלות רגולטוריות על שיעור ספיגה ספציפית (SAR) משמש בדרך כלל עבור כוח נמוך או חיישנים לטעינה לסוללות רבות יותר מאשר שעות רבות יותר מאשר לסוללות כוח גבוה יותר מאשר לסוללות.

(FLT:0) העברת כוח אלקטרוניקה:1 הוא חלופה מתפתחת המשתמש גלי קול גבוה קידוד גבוהה להעביר אנרגיה באמצעות רקמות. Ultrasound יכול להיות ממוקד יותר בדיוק מאשר שדות אלקטרומגנטיים, פוטנציאל המאפשר משקעים גבוהים יותר עם סיכון נמוך יותר של רקמות מחקרים מוקדמים הראו כי טעינה קולית יכול כוח קטן ב מעמקים של 10 ס"מ, עם זאת, להישאר תואם בין היתר, למנוע נזק תרמי או למנוע נזק.

ללא קשר לשיטתו, כל מערכת טעינה אלחוטית חייבת לעמוד בסטנדרטים של בטיחות מחמירה.המנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) וגופים בינלאומיים כמו ה-IEC הבין-לאומי (IEC) הקימו הנחיות למגבלות החשיפה לשדות אלקטרומגנטיים, עלייה בטמפרטורה ותפוקה אקוסטית. יצרנים בדרך כלל משלבים חיישנים טמפרטורה, לולאות בקרה כוח, ומנגנונים לא בטוחים כדי להבטיח כי הטעינה אינה עולה על סף בטוח.

דרישות מפתח של Implants בתשלום Wirelessly

ציוד לב

קובעי פייס ו- ICD הם המועמדים הברורים ביותר עבור טעינה אלחוטית.כמה חברות פיתחו קוצני קצב טעינה שניתן לטעון מדי שבוע או חודשי באמצעות מטען חיצוני שהוצב על החזה.לדוגמה, ה-BIOTRONIK EVIA HF-T ומערכות דומות לשימוש בהפיכה אלחוטית כדי לטעון מחדש, להאריך את תוחלת החיים של המכשיר מעבר לעשר שנים ולבטל את הצורך בשינויים עבור ICD, אשר דורשים שימוש באנרגיה קטנה יותר, אשר עדיין דורש טיפול מהיר יותר, תוך שמירה על מנת להבטיח טיפול אלחוטי, תוך שמירה על מנת להבטיח טיפול תרופתי או לחץ דם נמוך יותר.

נוירו-סנסמורטורים

(DDBS) עבור מחלת פרקינסון, ממריצים חוט השדרה לכאב כרוני, ומריצים עצביים של חומצה כל צורך בכוח משמעותי.לטעון נוירו-אופטימיטורים היה בשוק במשך שנים, אבל מודלים מבוגרים נדרשים משככי-עצמים חיצוניים מוגזמים כי חולים היו צריכים ללבוש במשך שעה או יותר בכל יום.

מערכות אספקת סמים

משאבות אינסולין השתלות מציעים איקוורציה מתמשכת אינסולין תת-עורית עבור אנשים עם סוכרת, אבל חיי הסוללה שלהם מגבילים כמה פעמים הם יכולים להחליף.לטעינה אלחוטית תאפשר משאבות אלה לפעול במשך שנים רבות ללא השתלה, תוך תמיכה בתכונות חדשות כמו ניטור גלוקוז מתמשך ואלגוריתמים דו-מדומים אוטומטיים.

חיישנים ומערכות ניטור

חיישנים מיני-אירויים המדאימים את הגלוקוז בדם, לחץ דם, שחיקה חמצן, או ביומרקרים מושתלים יותר ויותר למעקב ארוך טווח. רבים מהחיישנים האלה פועלים על כוח נמוך מאוד, ועלולים להיות מופעלים לחלוטין באמצעות קצירת אנרגיה מחום הגוף או תנועה, אך השתלה אלחוטית מספקת גיבוי חזק.לדוגמה, מערכת ניטור גלוקוז רציפה של אונס משתמשת השתלים קטנים שנמשכת עד 180 ימים ומחליפה באמצעות הליך קלוש; לדוגמה, יכול להאריך באופן משמעותי.

יתרונות של מכשירים אלחוטיים עבור מכשירים לא מותאמים

היתרונות של ביטול סוללות ראשוניות להאריך הרבה מעבר לנוחות המטופל.

• (FLT:0) ,התוצאות הסמוכות של ההתערבות הסורגית: ⁇ 1) היתרון הישיר ביותר הוא הימנעות של ניתוחים חוזרים להחלפת סוללות.זה מפחית את הסיכון לסיבוכים כירורגיים, מצמצם את החשיפה להרדמה, וקיצוץ בעלויות הבריאות.מחקרים הראו כי ביטול שינוי גנרטור אחד לחולה יכול לחסוך אלפי דולרים ולהקטין את התחלואה.
• (FLT:0) כוח אמין, אמין: סוללת טעינה 1 יכול להיות מרופפים מדי יום או שבועי, להבטיח כי המכשיר לעולם לא נגמר ללא הגבלת כוח באופן בלתי צפוי.זה קריטי במיוחד עבור מכשירים בעלי חיים כמו קוצרים או עבור מכשירים טיפול שבו אובדן כוח יכול להפריע טיפול.
• (FLT:0) Smaller Device Footprint:FLT:1 כי סוללות טעינה ניתן להיות קטן יותר מאשר תאים ראשוניים שנועדו לשנים האחרונות, השתל כולו יכול להיות מצמצם. השתלות קטנות יותר הם פחות פולשניים, לגרום פחות נזק רקמות, וניתן להציב במקומות מאתגרים אנטומיים.
• (FLT:0)Enhanced Functionality:FLT:1) כוח זמין גבוה יותר מאפשר למכשירים לשלב תכונות מתקדמות יותר: עיבוד נתונים בזמן אמת, טלמטורי אלחוטי למעקב מרחוק, אלגוריתמים הסתגלות ואפילו שיטות טיפול מרובות. לדוגמה, נוירוסנסטור הדור הבא עשוי לספק גירוי חשמלי ובו זמנית של פעילות עצבית לטיפול אישי.
• (FLT:0) שיפור סבלנות המטופל ואיכות החיים: מטופלים 1FLT:1 כבר לא צריכים לקבוע תחליפים כירורגיים כל כמה שנים, במקום זאת, הם פשוט לטעון את המכשיר שלהם כפי שהם יהיו סמארטפון - לעתים קרובות בעת שינה או הליכה על הפעילויות היומיומיות שלהם.נורמליזציה זו של תחזוקה המכשיר יכולה להפחית באופן משמעותי את הנטל הפסיכולוגי של חיים עם השתל.

אתגרים ושיקולי בטיחות

למרות ההבטחה הברורה, יש להתגבר על כמה מכשולים טכניים ורגולטוריים לפני שתלים טעונים אלחוטיים להיות כלוביטריים.

ניהול ארס

העברת חשמל אלחוטית בהכרח מייצרת חום, הן במדר החיצוני והן, ביקורתיות יותר, בשתל עצמו באמצעות הפסדים מנוגדים.חום רקמות מופרז עלול לגרום לשרוף או נזק סביב איברים.תקנים בינלאומיים (למשל, IEC 60601-1) ו- FDA הגבלת הטמפרטורה עלייה של פחות מ 2- 2-2% עבור שתלים כרוניים.מהנדסים חייבים לטעון מערכות עם יעילות גבוהה (%> בדרך כלל הוא שילוב טמפרטורות תרמיות כדי לסגור טמפרטורות לא בטוחות.

מיזות ותנועת

מערכות טעינה אינדוקטיביות ו resonant רגישים מאוד להיערכות בין סלילים החיצוניים והפנימיים.אפילו שינויים קלים בעמדה יכולים להפחית באופן דרמטי את ההפיכה ואת יעילות הטעינה.מטופלים עלולים למצוא שקשה למקם את המטען בדיוק, במיוחד עבור מערכות הסתגלות עמוקות.

אינטגרציה אלקטרומגנטית והתאמה

מכשירים לא מותאמים חייבים לפעול באופן אמין בנוכחות ציוד אלקטרוני אחר, הן בתוך בית החולים והן בסביבה היומיומית.מערכות טעינה אלחוטיות לייצר שדות אלקטרומגנטיים שיכולים להפריע לאלקטרוניקה של השתל או עם מכשירים רפואיים אחרים (למשל, מכשיר קלנדר הניתן להשתלת תשלומים יכול לפרש דופק אלקטרומגנטי כאירוע לב).

סטנדרט

כיום, כל יצרן משתמש בתדרים קנייניים של טעינה, פרוטוקולים, ועיצובי סליל.חוסר סטנדרטיזציה זה מסבך את יכולת ההתערבות ויכול להוביל לבלבול סבלני אם מכשירים מרובים של השתלים דורשים מטעני תעשייה שונים כמו ה-WiFi Consortium (WPC) פיתחו סטנדרטים עבור מכשירים צרכניים (Qi), אך השתל רפואי הרץ מול מגבלות ייחודיות – בטיחות, רקמות וגורם קטן - הדורשות תקן ייעודי להגדרתו של עבודה משותפת (FCC) הוא קבוע.

המונחים: path

קבלת השתל טעון אלחוטית שאושרה דורשת להפגין בטיחות ויעילות באמצעות בדיקות קליניות ו קליניות נרחבות.ה- FDA מתייחס למערכת המשנה הטעינה כחלק בלתי נפרד מהמכשיר, בכפוף לאותה רמה של בדיקה כתפקוד הטיפולי.אירועים הקשורים לטעינה - כגון חימום יתר, טעינה, כשלון או גירוי רקמות - אין לאפיין ולצמצם את הנטל הרגולטורי הזה, יכול לעכב את עלויות הכניסה וההתפתחות, למרות שהוא מבטיח גם בטיחות המטופל.

מחקרים והתקדמות

מעבדות אקדמיות ותעשייתיות ברחבי העולם הן מירוצים להתגבר על המכשולים הנותרים באוניברסיטה של וושינגטון, החוקרים הוכיחו מערכת טעינה קולית שיכולה לכפות 1 מ"מ3 שתל בעומק 10 ס"מ - קטן יותר מאשר גרגר אורז.הטכנולוגיה הזו יכולה לאפשר רמה חדשה של חתמי נוירונים זעירים או שבבי משלוח סמים. AFLT:0recent IEEE Spectrum מאמר FLT:1 כמה ממוקד יכול לשמש כדי לגבות את הדלת המשולבת באופן בו זמנית.

עוד שדרות מלהיבות היא השימוש בחומרים מגנטיים שממירים שדות מגנטיים ישירות למטענים חשמליים עם יעילות גבוהה מאוד.חומרים אלה יכולים להשתלב בתוך תת-שכבות גמישות, ביו-איות תואמים ולפעול בתדרים נמוכים יותר ש חודרים רקמות עם ספיגה מינימלית. צוות מאוניברסיטת קליפורניה, אירווין השיג צפיפות שיא של מעל 2 מ"ר ו/cm2 באמצעות מגנטואלקטריק חשמלי, מספיק כדי להפעיל קוצב או נוירו-אופטימיט קטן.

בינתיים, חברות כמו מדטרוניק ו- Abbott כבר הציגו נוירו-אופטטורים חד-משמעיים ומשאבות אינסולין.מערכת ה- DRG של DRG, למשל, משתמשת סוללה חד-טעינה שנמשכת עד 10 שנים.אבל תהליך הטעינה עדיין דורש התאמה מדויקת ו לוקח עד 60 דקות.

תחזית ושילוב עתידיים עם חיי היומיום

במבט קדימה, ההתכנסות של טעינה אלחוטית עם מגמות טכנולוגיות אחרות תגרום להשתלת אפילו חלקה יותר.חזון אחד הוא ה-FLT:0wearable טעינה רכזFLT:1: שעון חכם, חגורת או אפוד מצויד עם סליל טעינה אשר באופן אוטומטי מאלץ שתלים כפי שהמטופל הולך על היום שלהם.

מעבר לשיפוץ, (FLT:0) יבול אנרגיה קצירת 1:1 מהגוף עצמו יכול להשלים או אפילו להחליף מטען חיצוני עבור מכשירים בעלי כוח נמוך. גנרטורים הירומאלקטריים שממירים חום גוף לחשמל, אלמנטים אדזואלקטריים שמקצירים אנרגיה מנשימה או מצעדים, ו-Trboelectric nanogenerators נמצאים כולם תחת חקירה.

(FLT:0) מילימטרים 1 יימשך, מונע על ידי התקדמות במיקרואלקטרוניקה וכימיה סוללה. סוללות סולידריות-מדינה, אשר הן בטוחות יותר ויותר אנרגיה מאשר תאים ליתיום קונבנציונלי, הם עושים את דרכם לתוך אבטיפוס מסחרי. בשילוב עם טעינה אלחוטית יעילה, סוללות אלה יכולות לכפות מכשיר במשך שנים עם כמה דקות של טעינה בשבוע.

שתלים אלקטרוניים בעלי ערך ביולוגי המתמוססים לאחר תקופה טיפולית מייצגים עזיבה רדיקלית מהשתלים הקבועים.טעינה אלחוטית יכולה לשמש כדי לכפות מכשירים כאלה במהלך חייהם התפעוליים, שלאחריהם הם מידרדרים באופן בלתי מזיק, חוקרים באוניברסיטת Northwestern פיתחו קוצב קצב עוברי המופעל באופן אלחוטי, אשר היה FLT:0demonated במחקר שפורסם ב- NatureביוטכנולוגיהFLT:1 בעודם בשלבים מוקדמים, יכול היה לעקוב אחר טיפולים קצרים כגון טיפול תרופתי או מעקב אחר תרופות קצרות.

לבסוף, מסגרות רגולטוריות מתפתחות כדי לשמור על קצב.היוזמה הרפואית האלחוטית של ה- FDA ופיתוח תקן IEEE 802.3 עבור רשתות אזורי גוף רפואי הם יצירת סביבה צפויה יותר לחדשנות.כפי שעולה הנחיה ברורה, יותר יצרני מכשירים ישקיעו בטעינה אלחוטית כתכונה ליבה ולא תוספת נישה.

מסקנה

השינוי לקראת מכשירים עמידים להשתלות אלחוטית מייצג שינוי מהותי כיצד הטכנולוגיה הרפואית מיועדת ומופצה.על ידי חיסול הצורך בניתוחי החלפת סוללות תקופתיים, מכשירים אלה להפחית את הסיכון לחולה, עלויות בריאותיות נמוכות יותר, ומהנדסים חופשיים לבנות שתלים חזקים יותר, בעלי תכונות גבוהות יותר.בעוד שהאתגרים נשארים - בטיחות נוספת, היערכות, גמישות, תאימות אלקטרומגנטית וסטנדרטיזציה - התקדמות רפה בהתחדשות בחינוך, העברת אנרגיה לאחר עשור, והבטחות לצמצום, כדי להתגבר על אנרגיה לאחר מכן.

מטופלים ומרפאות יכולים לצפות לעתיד שבו מכשירים חיוניים כמו קוצרים, נוירו-סנסלרטורים, ומשאבי אינסולין הם לא רק אמינים יותר, אלא גם משולבים יותר בחיי היומיום.חזון של השתל חלקה, ארוך טווח – טעונה באופן אלחוטי בזמן השינה או ללבוש שעון חכם - הופך במהירות למציאות מעשית.