Νέα Τεχνολογία Υπερήχων Τροφοδοτεί Ιατρικές Εμφυτεύσεις Ασύρματα

Η Πρόκληση της Τροφοδοσίας Προηγμένων Ιατρικών Εμφυτεύσεων

Η βελτίωση του ανθρώπινου σώματος ή η αντικατάσταση ελαττωματικών μερών αποτελεί στόχο της ιατρικής από την εποχή των πρώτων ακατάστατων προσθετικών της αρχαιότητας. Καθώς τα μηχανικά εξαρτήματα γίνονται όλο και πιο πολύπλοκα, η ιδέα της αντικατάστασης μερών του σώματος έγινε όλο και πιο δημοφιλής μεταξύ των οπαδών της επιστημονικής φαντασίας, οδηγώντας στην έννοια των κυβόργκων, ανθρώπων που θα είναι μισοί άνθρωποι, μισοί μηχανές.

Σε κάποιο βαθμό, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι αυτό ήδη συμβαίνει, με επεμβάσεις όπως εμφυτεύματα βηματοδότη ή χειρουργικές επεμβάσεις ισχίου που γίνονται ρουτίνα και συμπληρώνουν προβλήματα στον καρδιακό μυ ή στις αρθρώσεις των ασθενών, βελτιώνοντάς τα με μεταλλικά εμφυτεύματα.

Καθώς τα νευρικά εμφυτεύματα και άλλα προηγμένα ιατρικά εμφυτεύματα γίνονται μια πιθανή πραγματικότητα την επόμενη δεκαετία, πλησιάζουμε περισσότερο από ποτέ στη δημιουργία αληθινών κυβερνητικών σωμάτων.

Ωστόσο, υπάρχει ακόμη ένα επαναλαμβανόμενο πρόβλημα για τα περισσότερα ιατρικά εμφυτεύματα: η τροφοδοσία. Οι βηματοδότες λειτουργούν με πολύ μικρές μπαταρίες επειδή χρειάζονται μόνο περιορισμένα επίπεδα ενέργειας. Αλλά εμφυτεύματα όπως τα νευρωνικά τσιπ πιθανότατα θα απαιτήσουν πολύ περισσότερη ενέργεια.

Οι παραδοσιακές μέθοδοι ασύρματης φόρτισης, όπως η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή και τα συστήματα βασισμένα σε ραδιοσυχνότητες που χρησιμοποιούνται συνήθως σε smartphones και ακουστικά, αντιμετωπίζουν αρκετές προκλήσεις.

Μπορούν να είναι ευάλωτες σε προβλήματα όπως μικρές αποστάσεις μετάδοσης, χαμηλή ενεργειακή απόδοση στους βιολογικούς ιστούς και ευαισθησία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές.

Μια άλλη μέθοδος μπορεί να γίνει εφικτή, σύμφωνα με την εργασία ερευνητών του Πανεπιστημίου Κορέας, του Ινστιτούτου Επιστήμης και Τεχνολογίας Κορέας (KIST), του Πανεπιστημίου Sungkyunkwan (SKKU – Νότια Κορέα), του Πανεπιστημίου Yonsei (Νότια Κορέα) και του Πανεπιστημίου Καλιφόρνια.

Ανέπτυξαν έναν τρόπο επαναφόρτισης ιατρικών συσκευών ασύρματα χρησιμοποιώντας υπερήχους. Δημοσίευσαν την ανακάλυψή τους στο Advanced Materials¹, με τίτλο “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Γιατί η Ασύρματη Ενέργεια Δυσκολεύεται να Διεισδύσει στους Ανθρώπινους Ιστούς

Οι ηλεκτρονικές εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές (IMDs) χρησιμοποιούνται σε θεραπευτικές εφαρμογές ασθενειών ή τραυματισμών, όπως η νευροδιέγερση και η καρδιολογική θεραπεία/παρακολούθηση.

Απαιτούν τακτική χειρουργική επέμβαση για αντικατάσταση μπαταρίας, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε επιπλοκές όπως λοιμώξεις στο σημείο της επέμβασης, σχηματισμός βιοφίλμ και υψηλό κόστος υγειονομικής περίθαλψης.

Ορισμένες μέθοδοι προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν την περιβάλλουσα ενέργεια του σώματος, όπως η ενέργεια της γλυκόζης, για την τροφοδοσία αυτών των συσκευών.

Για ορισμένες εφαρμογές, οι απαιτήσεις ενέργειας καθιστούν αυτές τις επιλογές μη ρεαλιστικές. Για μελλοντικές εφαρμογές όπως τα νευρικά εμφυτεύματα, αυτό είναι ακόμη πιο απίθανο, διατηρώντας τα πολύ επεμβατικά.

Η απομακρυσμένη μεταφορά ενέργειας με ηλεκτρομαγνητικά ή ραδιοσυχνά συστήματα διεισδύει ελάχιστα στους βιολογικούς ιστούς και μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητες παρενέργειες.

Η φωτοβολταϊκή ασύρματη μεταφορά ενέργειας είναι επίσης ακατάλληλη λόγω προβλημάτων με τη χαμηλή διείσδυση του φωτός μέσα στους ιστούς και τη θερμική βλάβη των ιστών.

Αντίθετα, οι υπερήχοι είναι καλά ανεκτοί από τους βιολογικούς ιστούς και μπορούν να διεισδύσουν βαθιά χωρίς να προκαλούν ζημιά, γι’ αυτό χρησιμοποιούνται τακτικά για διαγνωστικούς σκοπούς, ακόμη και σε έγκυες γυναίκες.

Πώς οι Υπερήχοι Ενεργοποιούν την Ασύρματη Φόρτιση των Εμφυτεύσεων

Χάρη στην μακρά ιστορία χρήσης του στη διάγνωση, οι υπερήχοι ήδη ωφελούνται από ένα εκτενές σώμα ιατρικών μελετών και προτύπων που καθορίζουν τα ασφαλή επίπεδα ενέργειας των υπερήχων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν (το FDA ορίζει αυτό ως μέγιστο 0,72 W ανά τετραγωνικό εκατοστό).

Δύο τύποι συσκευών μπορούν να μετατρέψουν τους υπερήχους σε ηλεκτρισμό: πιεζοηλεκτρικά (US-PENGs) και τριβοηλεκτρικά νανογεννήτριες (US-TENGs).

Τα US-PENGs έχουν αναπτυχθεί για την τροφοδοσία ηλεκτρονικών εμφυτευμάτων, αλλά συνήθως βασίζονται σε κεραμικά πιεζοηλεκτρικά με μόλυβδο, τα οποία είναι συχνά άκαμπτα και μπορεί να προκαλούν ανησυχίες τοξικότητας.

Γι’ αυτό οι ερευνητές εστίασαν αντί αυτού στην τεχνολογία US-TENG.

Αυτή η βιοσυμβατή συσκευή, με πάχος 0,4 mm, επιτυγχάνει υψηλή πυκνότητα φόρτισης κατάλληλη για τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών έως περίπου 6 cm βάθος με μη επεμβατικές εντάσεις υπερήχων.

Πώς Λειτουργεί

Χρησιμοποιήθηκαν λεπτές πολυμερικές μεμβράνες για τη δημιουργία ενός πλήρως ευέλικτου US-TENG, με στρώσεις πλαστικού υλικού τοποθετημένες η μία πάνω στην άλλη, συμπεριλαμβανομένου του ακρυλικού ή του πολυ-(μεθυλμεθακρυλικού) (PMMA).

Πηγή: Advanced Materials

Τα περφλουροαλκοξυαλκάνια (PFA) χρησιμοποιήθηκαν για τις τριβοηλεκτρικές τους ιδιότητες υπό μηχανική ενέργεια. Μια νανοκλίμακα στρώση ηλεκτροδίου εναποτέθηκε για να διατηρηθεί η μοναδική ιδιότητα της μεμβράνης PFA.

Μια ανθεκτική στρώση πολυουρεθάνης (PU) και πολυβινυλενίου φθοριούχου φθοριεθειρίου, καθώς και του καλίου χαλκού τιτανικού (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής ηλεκτρικού φορτίου.

Πηγή: Advanced Materials

Δοκιμή του Υπερηχητικού Εμφυτεύματος σε Πραγματικές Συνθήκες

Στη συνέχεια, η ολόκληρη συσκευή εγκλείστηκε σε διάλυμα πολυδιμεθυλοσιλοξάνης (PDMS) για αδιαβροχοποίηση.

Αυτό το ευέλικτο US-TENG δοκιμάστηκε για απόδοση σε νερό, πολυμερές/υδρογέλη και χοιρινό ιστό.

Η πρώτη πρακτική εφαρμογή θα ήταν η ενσωμάτωση αυτής της συσκευής σε βηματοδότη, ώστε να μην απαιτείται περαιτέρω χειρουργική επέμβαση για την αλλαγή της μπαταρίας της συσκευής.

Πηγή: Advanced Materials

Παράλληλα, η βιοσυμβατότητα του σύνθετου P(VDF-TrFE)/CCTO όσον αφορά την κυτταροτοξικότητα και τη γενετοτοξικότητα έχει επιβεβαιωθεί, επαληθεύοντας ότι είναι τόσο ασφαλές στην πράξη όσο ισχυρίστηκαν προηγούμενες μελέτες.

Η παραγωγή ενέργειας μετρήθηκε με ακρίβεια χρησιμοποιώντας λαβυρινθικό δονητή λέιζερ, ελέγχοντας τις δονήσεις της συσκευής. Αυτό επιβεβαίωσε αύξηση κέρδους κατά 44% του US-TENG σε σύγκριση με την προηγούμενη έκδοση παρόμοιας τεχνολογίας.

Πηγή: Advanced Materials

Τελικά, έλεγξαν την αποδοτικότητα του συστήματος ανάλογα με την ένταση των υπερήχων, την απόσταση και τη γωνία της πηγής υπερήχων, καθορίζοντας αν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ρεαλιστικές συνθήκες για ιατρική συσκευή στο ανθρώπινο σώμα.

Επιβεβαίωσε ότι σχετικά χαμηλή ένταση υπερήχων, απόσταση έως 4-8 εκατοστά (1,5-3 ίντσες) και σχετικά ευρύ φάσμα γωνιών θα μπορούσαν να λειτουργήσουν.

Πηγή: Advanced Materials

Διασφάλιση Ευελιξίας και Ανθεκτικότητας των Ιατρικών Εμφυτεύσεων

Μία ακόμη πρόκληση των εμφυτεύσιμων ιατρικών συσκευών είναι ότι ιδανικά πρέπει να είναι πολύ ευέλικτες, επειδή το ανθρώπινο σώμα δεν είναι ένα ρομποτικό πλαίσιο και τα όργανα κινούνται, ιδιαίτερα ο καρδιακός μυς.

Γι’ αυτό οι ερευνητές δεν χρησιμοποίησαν μόνο ευέλικτα υλικά, αλλά και μέτρησαν αν παρέμειναν αρκετά αποδοτικά όταν λυγίζονταν.

Πηγή: Advanced Materials

Βρήκαν ότι η συσκευή έχασε λίγο την παραγωγή ενέργειας όταν λυγίστηκε προς μία κατεύθυνση, αλλά κέρδισε κάποια όταν λυγίστηκε προς την αντίθετη. Η αύξηση στην παραγωγή ενέργειας οφειλόταν στην ενισχυμένη παγίδευση των κυμάτων υπερήχων στη λεκάνη-σχήμα συσκευή και στην αυξημένη σύγκρουση κυμάτων στην επιφάνεια της συσκευής.

Αυτό, ωστόσο, απέδειξε ότι η συσκευή μπορεί να λυγίσει χωρίς να καταστραφεί ή να χάσει τις ιδιότητες παραγωγής ενέργειας.

«Μέσω αυτής της έρευνας, αποδείξαμε ότι η τεχνολογία ασύρματης μετάδοσης ενέργειας με χρήση υπερήχων μπορεί να εφαρμοστεί πρακτικά.

«Σχεδιάζουμε να διεξάγουμε περαιτέρω έρευνα για την ελαχιστοποίηση και εμπορευματοποίηση, προκειμένου να επιταχύνουμε την πρακτική εφαρμογή της τεχνολογίας.»

Δρ. Sunghoon Hur – Ερευνητής στο KIST

Τελευταίες Σκέψεις: Επόμενα Βήματα για την Τεχνολογία Υπερηχητικών Εμφυτευμάτων

Οι ιατρικές συσκευές που θα μπορούσαν να επαναφορτιστούν ασύρματα θα αποτελούσαν μια τεράστια βελτίωση για εκατομμύρια ασθενείς παγκοσμίως.

Αυτό θα αφαιρούσε επίσης τον περιορισμό των πιο φιλόδοξων ιδεών εμφυτευμάτων που μέχρι τώρα περιορίζονταν από την έλλειψη ρεαλιστικής πηγής ενέργειας επαρκούς για την εκτέλεση της λειτουργίας. Θα μπορούσε να περιλαμβάνει εμφυτεύματα που παρέχουν φάρμακα απευθείας στο αίμα, παρακολουθούν συγκεκριμένες χημικές ουσίες, νευρικά εμφυτεύματα κ.λπ.

Αυτή η τεχνολογία εμφυτεύματος θα μπορούσε να εφαρμοστεί γρήγορα, με πάχος μόλις 0,4 mm, ισχυρή ευελιξία, καλή βιοσυμβατότητα και ευκολία κατασκευής χωρίς σπάνια εξωτικά υλικά.

Η τεχνολογία θα μπορούσε ακόμη και να βρει εφαρμογές πέρα από τις ιατρικές συσκευές, καθώς θα μπορούσε εξίσου εύκολα να χρησιμοποιηθεί για την επαναφόρτιση υποβρύχιων drone χωρίς ανάγκη επαφής, εξαλείφοντας την ανάγκη δημιουργίας αδιάβροχων ηλεκτρικών φορτιστών.

Επένδυση στην HealthTech

Η Philips είναι μια γνωστή μικρή καταναλωτική μάρκα ηλεκτρονικών (ξυριστικές μηχανές, ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες), ενεργή εξίσου στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης. Για παράδειγμα, ήταν η #1 στην υποβολή πατεντών MedTech στην Ευρώπη το 2022.

Είναι ενεργή σε συνδεδεμένα ιατρικά προϊόντα, από φορετές συσκευές έως απεικόνιση, αναπνευστήρες ή ιατρικά ρομπότ.

Η εταιρεία είναι επίσης ενεργή στα ημιαγωγούς (συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογίας maglev) και στην υψηλή τεχνολογία/ρομποτική/αυτοματοποίηση, με κάθε δραστηριότητα να μοιράζεται μια κοινή τεχνολογική βάση.

Πηγή: Philips

Η Philips προσφέρει φορετές συσκευές για καρδιακά, αναπνευστικά και δραστηριότητες μετρήσεις. Οι αισθητήρες της μπορούν να ενσωματωθούν σε έξυπνα ρολόγια, παρακολουθητές υγείας, ιατρικές επιθέσεις και ιχνηλάτες δραστηριότητας.

Η τεχνογνωσία της Philips σε βιοσυμβατά αισθητήρια, ημιαγωγούς και ασύρματες λύσεις θα μπορούσε να την καταστήσει ηγέτη στα προηγμένα ιατρικά εμφυτεύματα με ασύρματη φόρτιση.

Για ιατρικές συσκευές, η Philips προτιμά μια λύση συνεργασίας, όπου αναπτύσσει για τρίτους τις συνδεδεμένες IoT (Internet of Things) ιατρικές συσκευές πλήρως συμβατές με τις υπόλοιπες λύσεις της Philips. Σε αυτό το πλαίσιο, προσφέρει στους πελάτες της πρωτοτυποποίηση, συμβουλευτική ρυθμιστικών θεμάτων, ολοκληρωμένη ανάπτυξη προϊόντων και παραγωγή βιομηχανικής κλίμακας.

Αυτό καθιστά την Philips μια εταιρεία με έμφαση στην τεχνολογία και έναν πιθανό υποψήφιο για γρήγορη ενσωμάτωση καινοτομιών σε υπάρχουσες ιατρικές συσκευές. Συνολικά, οι συσκευές της Philips επηρέαζαν άμεσα πάνω από 1,8 δισεκατομμύρια ανθρώπους.

Η εταιρεία επιθυμεί να δημιουργήσει ένα πλήρως ενσωματωμένο ψηφιακό περιβάλλον υγειονομικής περίθαλψης, όπου οι αισθητήρες ταιριάζουν με τις συσκευές, και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει πολλαπλές λύσεις συνδεσιμότητας για ενσωμάτωση στην πλατφόρμα Philips HealthSuite Cloud και να επιτρέψει λεπτομερή ανάλυση δεδομένων.

Πηγή: Philips

Ως προμηθευτής της βιομηχανίας MedTech, συχνά κατασκευάζοντας για άλλες μάρκες, η Philips δεν είναι τόσο ορατή στον τομέα όσο άλλες, πιο γνωστές εταιρείες. Ωστόσο, είναι ειδική στην κατασκευή υψηλής απόδοσης ηλεκτρονικών συσκευών και αισθητήρων, συχνά ωθώντας τα όρια του δυνατού στο εξειδικευμένο της χώρο στην υγειονομική περίθαλψη και τις φορετές συσκευές.

Με τις φορετές συσκευές και τα ιατρικά ηλεκτρονικά να ενσωματώνονται ολοένα και περισσότερο στην υγειονομική περίθαλψη και τα ιατρικά πρωτόκολλα, το τμήμα Healthcare της Philips πιθανότατα θα αυξηθεί ως μέρος του ομίλου.

Τελευταία Νέα και Εξελίξεις για τις Μετοχές της Koninklijke Philips N.V. (PHG)

Αναφορά Σπουδής:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, κ.α. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Τόμος 37, Τεύχος 19. 12 Μαΐου 2025}