Pacemaker Battery Teknolojisi ve Enerji Hasat Edilmesi Trendleri

Giriş Giriş Giriş

Kalp pacing, kalp ritmini hassas bir şekilde düzenleyen milyonlarca hayat kurtarmıştır, çünkü ilk implantable speedmaker, 1950'lerin sonlarında, bu cihazlar, fizyolojik koşullar altında insan vücudunun içinde çalışan, en son gelişmelerden dolayı gelişmiş, mikroelektronik ve enerji hasatlarından biri, hızlayıcı güç sistemleri yeni bir döneme sahip.

Mevcut Standart: Lityum-Based Bataryalar

On dört yıldan fazla bir süredir, lityum-iodine bataryaları implantable hız yapıcılar için altın standart olarak hizmet etti. Bu hücreler enerji yoğunluğu, gerilim istikrarı ve uzun raf ömrü gibi olumlu bir denge sunuyor. Tipik bir lityum-iodine speedmaker bataryası yaklaşık 1 ila 2 ampere-hours of device, which translates to five to on beş yıl süren cihaz işlemine bağlı olarak hizmet vermektedir.

Hız yapıcılarda kullanılan Lityum-iyon hücreleri tüketici elektroniklerinde bulunan bir membran hücresi değildir. Pacemaker bataryalar ultra-düşük deşarj oranları, aşırı güvenilirlik ve koreatif malzemelerin sızıntısını önlemek için aynı değildir.Bu kimyada katoital bir polimer ile karıştırılmış bir tabakadır, ancak anode metalik bir lityum tabakaları verir.

Güvenilirliğine rağmen, lityum-iodine bataryaları sınırlamaları vardır. Enerji yoğunlukları sağlam devlet kimyası tarafından kısıtlanır ve iç direniş, cihazı uzun süre uzatabilir ve tekrarlanan cerrahilerin yükünü azaltır.

Sonraki -Generation Battery Technologies

Araştırmacılar, mevcut lityum-iodine hücreleri önemli ölçüde açıklayabilecek birkaç umut verici batarya kimyagerleri ve mimarileri takip ediyorlar. Bunlar sağlam devlet pilleri, gelişmiş lityum-iyon çeşitleri ve biyo uyumlu süper kapasitetörler içerir.

Katı Devlet Pilleri

Katı devlet pilleri sıvı veya jel elektrolit katı bir iyonik iletken ile bulunurlar. Bu tasarım, lityum-iodine kimyasına kıyasla birkaç avantaj sunar.

Katı elektrolit malzemelerdeki son atılımlar, örneğin lityum garnetler (örneğin, LLZO) ve sulfide bazlı gözlükler, 1.000 döngüden sonra ilk kapasitelerinin yüzde 90'dan fazlaını ticari geçirebilmeleri için sağlam bir hıza sahip.Bu malzemeler vücut ısısında yüksek iyonik iletkenliği sergileyecek ve yirmi ila otuz yıl boyunca sabitlenebilir.

Katı devlet pillerinin minimizasyonu, sağlam-devlet pilleri ile, çok karmaşık veya atomik tabaka ayrıştırma sistemleri kullanılarak, hala yeterli güç teslim ederken küçük yapılabilir.Bu mikro-batımlar doğrudan hız makinesi devresine entegre edilebilir ve daha karmaşık çoklu-elektrode veya atom tabakalama sistemleri etkinleştirilebilir.

Gelişmiş Lityum-Ion Variants

Standart lityum-iyon hücreleri genellikle güvenlik endişeleri ve düşük deşarj oranlarında sınırlı döngü yaşamı nedeniyle hız verici olarak kullanılmamaktadır, yeni kedihode ve anode malzemeleri, zihindi ile 10.000 döngüyü kaybedebilir.

Bir başka değişken, lityum-iodine benzer bir şekilde yavaş yavaş deşarjla yüksek enerji yoğunluğunu birleştiren lityum karbon monofluoride (Li/CFx) kimyası, daha sonra birkaç yıl içinde piyasayı kurmak için 800 watt saat kadar depolanabilir.

Biocompatible Supercleors

Superkapors enerji elektrostatik olarak kimyasal olarak depolar, yüksek akımlar için yüksek güç sunmalarına izin verir ve karbon nanotüp ve grafik elektrotlar için, yüksek çözünürlükte şarj edilebilir bataryalar için, yüksek akımlı pacing puls taleplerini saniyeler içinde şarj etme yeteneğine sahiptir.

Kaliforniya San Diego Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, bir hız makinesinin yanı sıra implante edilebilir biyoakonomiden yapılmış esnek bir süper kapasite geliştirdiler. Cihazın dış bir vericiden kablosuz olarak şarj edilmesi ve pul pulsları birkaç dakika boyunca teslim etmesi gerekiyor. Bu teknoloji hala araştırma aşamasında, ancak birincil bataryalar olmadan genişletilmiş süreler için hangi hız vericiler faaliyet gösteren bir geleceğe doğru gidiyor.

Enerji Hasatı: Vücuttan Güçleme Cihazları

Enerji, vücut veya çevreden çevresel enerjiyi yakalamak ve elektrik gücüne dönüştürmektir. For speedmakers, hasat teknikleri birincil bataryalara bağımlılığı azaltmak veya ortadan kaldırmak, cihazlara kendini korumak ve değiştirme cerrahileri için gerekli olan ihtiyacı ortadan kaldırmak için tasarlanmıştır.İnsan vücudu birkaç enerji kaynağı sunar: mekanik hareket (kalpbol, kan akışı, kas hareketi), ısınıcılar (barış ısıları ile ısıtılır), ve kimyasal enerji (glukose oxidasyon)

Piezoelektrik Enerji Enerjinin Yeniden Edilmesi

Piezoelektrik malzemeleri mekanik olarak sulandığında elektrikli bir şarj yaratır.Bir pastalı kekik boru veya büyük bir kan gemisine membran eklenerek, araştırmacılar, kalpli döngünün ritmik sözleşmelerini bize uygulanabilir elektrik enerjisine dönüştürebilirler. Tipik bir elektrik santralinden 1 ila 20 mikrowatta kadar olan bir elektrik üretimine kadar yapılan tipik güç çıktısı, bu düşük bir hızda çalışan modern bir şarj döngüsünde çalışan modern bir şarj döngüsüne kadar yeterlidir.

2023 yılında yayınlanan bir dönüm noktası, ortalama bir 8.4 mikrowatt cihazı ürettikten sonra cihazı sürekli olarak çalıştırarak, mükemmel bir dayanıklılık olmadan 8 milyondan fazla döngü için işlevsel kaldı. Toronto Üniversitesi'nde araştırmacılar, gelişmiş bir biyozoelektrikli hasat kullanarak, cihaz PZT'nin liderliğini ve uzun vadeli güvenliği sağlamak için yeterli miktarda 8.4 mikrowattlık elde etti.

Piezoelektrik birkaç zorlukla yüzleşiyor. Güç çıkışı, hasat eden ve hareketli doku arasındaki mekanik darbeye bağlıdır ve ek olarak, hasatçının hala mekanik defektme izin verirken bağışıklık reddedilmesini engellemek için enkapsasyona neden olması gerekir.Bu engellere rağmen, beş yıl içinde başlamak için gerçekleştirilir.

Termal Enerji Enerjinin Enerjisi

Termoelektrik jeneratörleri (TEGs) ısı akışını, hem sıcak bir iç organ hem de daha soğuk bir alt tabakada, araştırmacılar sürekli olarak birkaç mikrowatt güç hasat edebilir.

Termoelektrik malzemelerdeki son gelişmeler, özellikle de iki °C ısıtıcının sıcaklığında 3.5 mikrowattlık yapan bir TEG ölçümünü gerçekleştirdi.Bu TEG, son zamanlarda, bir depolama kapasitesi ile birlikte, bu TEG, normal bir kapalı koşullarda bir hızçı geliştirdi.

Termoelektrik hasatının ana sınırlaması, gradient'in daha küçük olduğu sıcak ortamlarda, ısıtılmasının yeterli güç sağlamadığı, ancak bu şarj depolama tamponları dahil ederek bunu ele alabilir ve gradient'in daha küçük olduğu ısıtılır.

Bio yakıt Hücreleri

Biyo yakıt hücreleri, enzimleri veya mikropları katalizörler olarak kullanarak karbonat gibi toksik yakıtlar ile elektrik üretir. Vücut kandan sürekli bir glikoz tedariki içerir, implant edilebilir cihazlar için çekici bir yakıt kaynağı yapar. Enzymatik glukoz biyoyakıt hücreler (GBFCs) hücre başına 0,5 ila 0.8 volta kadar glikoz oxidase veya benzerleri kullanır, ancak kandan oksijeni katlanırken, bu da genellikle 0,8 volta kadar küçük bir gerilim üretir.

En son gelişmeler enzim immobilizasyon ve elektrode nano yapılandırma, GBFC'lerin güç yoğunluğunu ve süresini geliştirdi. Utah Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 44 mikrowattlık alan bir yarı hayatta, yarı zamanlı bir operasyonla, birkaç gün boyunca elektriksel yüzey alanına ulaşmak mümkün.

Ancak, biyoyakıt hücreler, diğer kan bileşenlerine müdahale etmekten kaçınmaları için önemli engellerle karşı karşıyadır. Enzymes degrad zamanında, bu zorluklara rağmen, hastanın kendi kan şekeri ile desteklenen bir hız makinesi konsepti, diğer kan bileşenlerinin en zarif göz önünde bulundurmalıdır.

Triboelektrik Nanojeneratörler

Triboelektrik nanojeneratörler (TENG) temas-elektme etkisi aracılığıyla elektrik üretebilir, iki disimilar malzeme değişimi şarjı birlikte ovuşturup sonra da elektronik için faydalı seviyelere çıkabilir.

Georgia Tech ve Connecticut Üniversitesi'nden işbirliği ekibi, 10 milyondan fazla döngü için bir hız makinesinin yüzeyinde bulunan bir TENG'i sadece 1 santimetre geliştirdi ve dört hafta sonra implantasyonda yapılan bir implantasyon belirtisinde test edilmedi.

TENGs hala klinik kullanımdan uzak, ancak basitliği ve düşük maliyeti onları araştırma için cazip hale getirir. Temel zorluklar vücutta uzun vadeli mekanik stabilite sağlamak ve elektrik sızıntısını encaplar aracılığıyla önlemek.As material and package technologies mature, TENGs bir sonraki nesil hız vericiler için ana güç kaynağı olabilir.

Hibrit Yaklaşımlar: Pilleri ve İndükleri

Tek bir enerji hasat teknolojisi henüz bir hastanın tüm koşullarda kesintisiz gücü garanti edemez. Hibrit sistemler, küçük bir birincil bataryayı bir enerji toplayıcısı ve bir depolama kapasitesi ile şarj edilebilirlik sağlarken, hastanın hala yüksek enerji kullanılabilirliği sırasında kapasiteye sahip olmasını gerektirir.

Hibrit mimariler zaten ticari cihazlarda ortaya çıkıyor. Medtronic ve Boston Bilimsel, on yıl boyunca alınan sağlam bir devletli bir batarya ile hızlayıcıları doğrudan bir araya getiriyor.Eğer toplayıcının beklenenden tasarruf etmesi durumunda, batarya asla programlanmamış, cihaz ömrünü yirmi yıla kadar uzatamaz.

Düşük güç elektronik ve verimli pacing algoritmaları ile enerji üretimi kombinasyonu, 5 ila 20 mikrovatov gerektiren küçük bir virtüel döngü oluşturur.Bu güç seviyelerinde, iyi tasarlanmış bir hibrit sistem daha uygulanabilir hale gelebilir.

Klinik Etki ve Hasta Faydaları

Herhangi bir yeni güç teknolojisinin nihai ölçü, hasta sonuçları nasıl etkilediğidir. Genişletilmiş batarya hayatı ve kendini güçlü cihazlar için potansiyel doğrudan daha az cerrahi müdahaleye, komplikasyon oranlarına ve daha düşük sağlık maliyetlerine sahiptir. Her bir hız makinesi değiştirme prosedürü, cebi enfeksiyon, liderlik hasarı ve hematoma dahil olmak üzere büyük komplikasyonların yüzde 1 ila 3'ünü taşır.

Enerji hasat ayrıca kapıyı daha küçük hız yapıcılara da açıyor. Doğrudan bir catheter aracılığıyla sağ ventrikle, cebi ortadan kaldırır ve tamamen yol açar, ancak batarya büyüklüğü sekiz ila on iki yıl boyunca onları bir kurşunsuz hızçı ile donatılmış bir hız makinesi, daha küçük bir hacimde kıyaslanabilir ve daha az invazif ve uygun bir hasta için prosedür oluşturabilir.

Pediatrik hastalar uzun süreli kalp bloğu yönetiminin ortadan kaldırılmasına ve çocukların yaşamlarına daha az kesintiye uğramasına izin verecek şekilde, her biri yara doku ve değiştirilmiş anatomi nedeniyle artan teknik zorlukla karşı karşıya kalabilir. Yirmi yıl veya daha fazla süren bir güç sistemi, çocukların yaşamlarına daha az kesintiye uğramasına izin verecek.

Meydanlar ve Devamlı Araştırma

Pil ve hasat teknolojilerindeki olağanüstü ilerlemeye rağmen, bu yeniliklerin klinik uygulamada standart hale gelmesinden önce birkaç engel kalır. Güvenlik ve biyokompatability önemlidir. Vücut dokularının cytooksisite, inflamasyon ve uzun vadeli stabilite için titiz bir test yapması gereken yeni bir malzeme veya cihaz. implant edilebilir cihazlar için düzenleyici yol talep edilir, ABD Gıda ve İlaç Yönetimi ve Avrupa Tıp Ajansı

Power management elektronik aynı zamanda bir meydan okuma sunuyor. Enerji hasatçılarından gelen çıktı genellikle değişken ve düşük gerilim, tek bir çipe gerilimi artırmak, hız makinesi elektronikleri elde etmek için gerilimi artırmak için verimli bir güçlendirme devreleri gerektirir.Bu devreler kendilerini çok az güç tüketmelidir, çoğu zaman bir mikrowatttan daha az çalışır ve on yıllar boyunca güvenilir bir şekilde çalışır. Araştırmacılar uygulama-özelleştirilmiş devreleri geliştirirler.

Aktif araştırma alanı, cihazın elektronik kullanımı için zor bir ortamdır.İnsan vücudunun içinde elektronik için sert bir ortamdır, yüksek nem, kororatif iyonlar ve yabancı malzemelere saldırmaya izin veren bağışıklık hücreleri.Metal veya seramik kullanarak hermetic paketlemesi elektronikleri koruyabilir, ancak çok katmanlı polimer film veya atomik kaplamalar için çok katmanlı kaplamalar kullanılarak sert ve sert bir ortam sağlar.

Kablosuz güç transferi de hızla ilerliyor. 50 kHz ve 13.56 MHz arasında frekanslarda çalışan bir hız makinesinin hayatını küçük şarj cihazıyla birlikte, kablosuz şarj işlemine izin vererek, ilk batarya yedekleme ihtiyacının etkili bir şekilde ortadan kaldırılmasına izin verebilir.

Future Outlook

Katı devlet pillerinin yakınlaştırılması, enerji hasat ve ultra-düşük güç elektroniklerinin çoğu hasta için sadece daha dayanıklı değil aynı zamanda daha akıllı ve daha az invazif bir şekilde gerçekleşmesi bekleniyor. Önümüzdeki on yıl içinde, küçük bir sağlam devlet yedek bataryasını bir pastazoelektrik veya termoelektrik hasat cihazı ile birleştiren karma sistemler, çoğu hasta için on beş ila yirmi yıl boyunca piyasaya ulaşmak için bekleniyor.

Makine öğreniminde ilerlemeler ve algılanma da güç sistemi tasarımına etkilenmektedir. Sonraki nesil hız yapıcılar hemodinamik izleme, arrhythmia tahmin ve hatta uzaktan sağlık değerlendirmelerine izin veren bir alanda, bu ek fonksiyonlar daha yüksek kapasiteli bataryalara ve daha verimli hasatlara ihtiyaç duyacaktır.

Nihai hedef, hastanın ömrünü süren bir hız makinesidir, fizyolojik ihtiyaçlarına adapte olur ve her birkaç yıl rutin bir çekten daha fazla bakım gerektirir. batarya teknolojisi ve enerji hasatında inovasyon hızıyla, bu hedef her zamankinden daha yakın.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Pacemaker batarya teknolojisi ve enerji hasat hızla ilerliyor, cerrahi müdahaleleri azaltmak ve hasta yaşam kalitesini artırmak için bataryalar tarafından yönlendiriliyor. Solid-state bataryaları, gelişmiş lityum kimyagerler ve biyoakonomik süper kapasiteleri, enerji yoğunluğu ve güvenliği için önemli artışlar sunuyor. Piezoelektrik, termoelektrik ve biyoyakıtlama yöntemleri, vücut fizyolojisinden enerji yakalamak için bataryaları bile destekleyebiliyor.

Hızlandırıcı teknoloji ve implantable güç sistemleri hakkında daha fazla bilgi için, [Döneticileri [Döneticileri] [Döneticileri için kılavuzluk (Dönetici:2) Doğa araştırma makalesi, pezoelektrik enerjileri için hasat etmek için[Döneticileri için[Döntmeler)[Dönergeler ve termoelektrik enerji hasat etmek için genel bakışı[Dönemli)