Uusi ultraääniteknologia antaa virtalähteen lääketieteellisille implanteille langattomasti

Edistyneiden lääketieteellisten implanttien virtalähteen haaste

Improving the human body, or replacing defective parts, has been a goal of medicine as long ago as the first crude prosthesis of antiquity. Progressively, as mechanical components become more complex, the idea of replacing parts of the body became increasingly popular among science fiction enthusiasts, leading to the idea of cyborgs, people that would be half-human, half-machine.

Jossain määrin voimme väittää, että tämä tapahtuu jo nyt, kun esimerkiksi sydämentahdistinimplantit tai lonkkakirurgiat tehdään rutiininomaisesti ja täydentävät sydänlihaksen tai potilaiden nivelten ongelmia metallisten implanttien avulla.

Kun hermosoluihin ja muihin edistyneisiin lääketieteellisiin implantteihin liittyvät teknologiat lähestyvät todennäköistä toteutumista tulevan vuosikymmenen aikana, olemme todellakin lähempänä kuin koskaan todellisten kybernetisten kehojen luomista.

Kuitenkin suurimmalla osalla lääketieteellisistä implanteista on yhä toistuva ongelma: virtalähde. Sydämentahdistimet pärjäävät hyvin pienillä akuilla, koska ne tarvitsevat vain hyvin rajallista tehoa. Mutta esimerkiksi hermosoluihin asennettavat sirut todennäköisesti vaativat paljon enemmän energiaa.

Perinteiset langattoman latauksen menetelmät, kuten sähkömagneettinen induktio ja radiotaajuuspohjaiset järjestelmät, joita yleisesti käytetään älypuhelimissa ja kuulokkeissa, kohtaavat useita haasteita.

Ne voivat olla alttiita ongelmille, kuten lyhyille siirtoetäisyyksille, alhaiselle energiatehokkuudelle biologisissa kudoksissa ja sähkömagneettisen häiriön herkkyydelle.

Toinen menetelmä saattaa tulla mahdolliseksi, tutkijoiden työn perusteella, jotka ovat kotoisin Korea Universitysta, Korea Institute of Science and Technology (KIST)sta, Sungkyunkwan Universitysta (SKKU – Etelä-Korea), Yonsei Universitysta (Etelä-Korea) ja Kalifornian yliopistosta.

He kehittivät tavan ladata lääketieteellisiä laitteita langattomasti ultraäänien avulla. He julkaisevat löydöksensä Advanced Materials¹ otsikolla “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Miksi langaton energia kamppailee läpäistäkseen ihmiskehon kudosta

Electronic implantable medical devices (IMDs) are used in therapeutic applications of diseases or injuries, such as neurostimulation therapy and cardiovascular curing/monitoring.

Sähköisiä implantoitavia lääketieteellisiä laitteita (IMD) käytetään terapeuttisissa sovelluksissa sairauksien tai vammojen hoidossa, kuten neurostimulaatiohoidossa ja sydän- ja verisuonitautien hoitamisessa/seurannassa.

Ne vaativat säännöllistä leikkausta akun vaihtamiseksi, mikä voi johtaa potilaan komplikaatioihin, kuten leikkausalueen infektioihin, biofilmin muodostumiseen ja korkeisiin terveydenhuoltokustannuksiin.

Jotkut menetelmät pyrkivät hyödyntämään kehon ympäristöenergiaa, kuten verensokeria, näiden laitteiden virransyöttöön.

Joissakin sovelluksissa energian tarve tekee tällaiset vaihtoehdot epärealistisiksi. Tulevaisuuden sovelluksissa, kuten hermosoluihin asennettavissa implanteissa, tämä on vielä epätodennäköisempaa, mikä tekisi niistä erittäin invasiivisia.

Energiansiirto etänä sähkömagneettisten tai radiotaajuusjärjestelmien avulla läpäisee huonosti biologisia kudoksia ja voi aiheuttaa ei-toivottuja sivuvaikutuksia.

Fotovoltaattinen langaton energiansiirto on myös epäsopiva, koska valon läpäisykyky kudoksessa on heikko ja se voi aiheuttaa lämpövaurioita kudokselle.

Sen sijaan ultraäänet ovat biologisten kudosten kannettavissa ja voivat tunkeutua syvälle aiheuttamatta vahinkoa, minkä vuoksi niitä käytetään säännöllisesti diagnostisiin tarkoituksiin, myös raskaana olevilla naisilla.

Kuinka ultraääni mahdollistaa langattoman implantin lataamisen

Thanks to its long history of use in diagnostics, ultrasound already benefits from a large body of medical studies and norms determining the safe energy levels of ultrasounds that can be used (the FDA defines this as a maximum of 0.72 W per square centimeter).

Kaksi laitetyyppiä voivat muuntaa ultraäänen sähköksi: piezoelektriset (US-PENGs) ja triboelektriset nanogeneraattorit (US-TENGs).

US-PENGeja on kehitetty sähköisten implantoiden virransyöttöön, mutta ne perustuvat yleisesti lyijypohjaisiin piezoelektrisiin keramiikkoihin, jotka ovat usein jäykkiä ja voivat aiheuttaa toksisuusongelmia.

Siksi tutkijat keskittyivät sen sijaan US-TENG-teknologiaan.

Tämä biokompatibiliteetilla varustettu laite, jonka paksuus on 0,4 mm, saavuttaa korkean varausdensiteetin, joka soveltuu sähköisten laitteiden virransyöttöön jopa noin 6 cm:n syvyyteen ei-invasiivisilla ultraäänitehoilla.

Miten se toimii

Thin polymeric films were used to create a fully flexible US-TENG, with layers of plastic material piled on each other, including acrylic or poly-(methyl methacrylate) (PMMA).

Lähde: Advanced Materials

Perfluoroalkoksyyli-alkaanit (PFA) käytettiin niiden triboelektristen ominaisuuksien vuoksi mekaanisen energian alla. Nano- mittakaavan elektrodikerros kerättiin säilyttämään PFA-filmin ainutlaatuiset ominaisuudet.

Vahva polyuretaanikerros (PU) sekä polyvinyylideenifluoridi-trifluoroeteeni, ja kalsiumkuparititaani (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) käytettiin myös maksimoimaan sähköisen varauksen tuotantoa.

Lähde: Advanced Materials

Ultraäänillä toimivan implantin testaaminen todellisissa olosuhteissa

The entire device was then encapsulated in a polydimethylsiloxane (PDMS) solution for waterproofing.

Koko laite kapseloitiin sen jälkeen polydimetylisilosaan (PDMS) -liuokseen vesitiivistämistä varten.

Tätä joustavaa US-TENGiä testattiin suorituskyvyn osalta vedessä, polymeri/hydrogeelissä ja siankudoksessa.

Ensimmäinen käytännön sovellus olisi sijoittaa tämä laite sydämentahdistimeen, jotta ylimääräistä leikkausta akun vaihtamiseksi ei enää tarvitsisi.

Lähde: Advanced Materials

Samanaikaisesti P(VDF-TrFE)/CCTO -komposiitin biokompatibiliteetti solutoksisuuden ja genotoksisuuden osalta on vahvistettu, mikä todistaa sen olevan käytännössä yhtä turvallinen kuin aiemmat tutkimukset väittivät.

Energiantuotto mitattiin tarkasti laser-vibrometrillä tarkkailemalla laitteen värähtelyä. Tämä vahvisti 44 %:n parantuneen tuoton US-TENGissä verrattuna edelliseen samankaltaisen teknologian versioon.

Lähde: Advanced Materials

Lopulta he testasivat järjestelmän tehokkuutta ultraäänitehon, etäisyyden ja ultraäänilähteen kulman perusteella, selvittäen, voidaanko sitä käyttää realistisissa olosuhteissa ihmisen kehon sisäisessä lääketieteellisessä laitteessa.

Se vahvisti, että melko alhainen ultraääniteho, 4–8 centimetriin (1,5–3 tuumaa) syvä etäisyys ja melko laaja kulma-alue toimivat.

Lähde: Advanced Materials

Joustavuuden ja kestävyyden varmistaminen lääketieteellisissä implanteissa

Another challenge of implantable medical devices is that they ideally need to be very flexible, because the human body is not a robotic frame and organs move, especially the cardiac muscle.

Siksi tutkijat eivät ainoastaan käyttäneet joustavia materiaaleja, vaan myös mittasivat, säilyvätkö ne riittävän tehokkaina taivutettaessa.

Lähde: Advanced Materials

He havaitsivat, että laite menetti hieman energian tuotantoa taivutettaessa yhteen suuntaan, mutta sai jopa lisää energiaa taivutettaessa toiseen suuntaan. Energiantuoton kasvu johtui ultraääniaaltojen parantuneesta ansaitsemisesta kulho-muotoisessa laitteessa ja lisääntyneistä aaltojen törmäyksistä laitteen pinnalla.

Tämä osoitti kuitenkin, että laite voidaan taivuttaa vahingoittumatta tai menettämättä energian tuotanto-ominaisuuksiaan.

“Tämän tutkimuksen avulla olemme osoittaneet, että ultraääniä hyödyntävää langatonta energiansiirto-teknologiaa voidaan soveltaa käytännössä.

Suunnittelemme jatkotutkimuksia miniaturoinnin ja kaupallistamisen osalta nopeuttaaksemme teknologian käytännön soveltamista.”

Dr. Sunghoon Hur – tutkija KIST:ssä

Lopulliset ajatukset: Seuraavat askeleet ultraääniteknologian implanttien osalta

Medical devices that could be recharged wirelessly would be a tremendous improvement for millions of patients globally.

Tämä poistaisi myös rajoituksen kunnianhimoisemmille implantaatiokonsepteille, jotka ovat tähän mennessä olleet rajoitettuja realistisen energiansaannin puutteen vuoksi. Se voisi sisältää implantit, jotka toimittavat lääkettä suoraan verenkiertoon, seuraavat tiettyjä kemikaaleja, hermosoluihin asennettavat implantit ym.

Tätä implantaatioteknologiaa voitaisiin ottaa nopeasti käyttöön, sillä se on vain 0,4 mm paksu, erittäin joustava, hyvä biokompatibiliteetti ja helppo valmistaa ilman harvinaisia eksoottisia materiaaleja.

Teknologia voisi löytää sovelluksia myös lääketieteellisten laitteiden ulkopuolella, sillä sitä voitaisiin yhtä helposti käyttää vedenalaisiin droneihin lataamiseen ilman kosketusta, poistaen tarvetta vesitiiviille sähköisille latauslaitteille.

Sijoittaminen HealthTechiin 

Philips on tunnettu pienelektroniikkamerkki (partakoneet, sähköhammasharjat), joka on yhtä aktiivinen terveydenhuollossa. Esimerkiksi se oli MedTech‑patenttien hakemisen ykkönen Euroopassa vuonna 2022.

Se on aktiivinen yhdistetyissä lääketieteellisissä tuotteissa, aina kannettavista laitteista kuvantamiseen, hengityslaitteisiin tai lääketieteellisiin robotteihin.

Yritys on myös aktiivinen puolijohteissa (mukaan lukien maglev‑teknologia) ja korkean teknologian/robotiikan/automaatiossa, ja kaikki toiminnot jakavat yhteisen teknologisen perustan.

Lähde: Philips

Philips tarjoaa kannettavia laitteita sydämen, hengityksen ja aktiivisuusmittareiden seurantaan. Sen antureita voidaan integroida älykelloihin, terveysmonitoriin, lääketieteellisiin laastareihin ja aktiivisuusmittareihin.

Philipsin asiantuntemus biokompatibleissa antureissa, puolijohteissa ja langattomissa ratkaisuissa voisi tehdä siitä johtajan edistyneissä lääketieteellisissä implanteissa, joissa on langaton lataus.

Lääketieteellisille laitteille Philips suosii kumppanuusratkaisua, jossa se kehittää kolmansille osapuolille heidän yhdistetyt IoT (Internet of Things) -lääketieteelliset laitteet, jotka ovat täysin yhteensopivia Philipsin muiden ratkaisujen kanssa. Tässä yhteydessä se tarjoaa asiakkailleen prototyyppien suunnittelua, sääntelyneuvontaa, täyden tuotekehityksen ja teollisen mittakaavan tuotannon.

Tämä tekee Philipsista teknologiakeskeisen yrityksen ja todennäköisen ehdokkaan innovaatioiden nopeaan integrointiin olemassa oleviin lääketieteellisiin laitteisiin. Yhteensä Philipsin laitteet vaikuttivat suoraan yli 1,8 miljardiin ihmiseen.

Yritys haluaa luoda täysin integroidun digitaalisen terveydenhuollon ympäristön, jossa anturit sopivat laitteisiin, ja käyttää useita yhteysratkaisuja integroitumaan Philips HealthSuite Cloud -ratkaisuun ja mahdollistamaan syvällisen data-analytiikan.

Lähde: Philips

MedTech‑alan toimittajana, joka usein valmistaa muiden brändien tuotteita, Philips ei ole yhtä näkyvä alalla kuin muut, merkittävämmät yritykset. Kuitenkin se on asiantuntija korkean suorituskyvyn elektronisten laitteiden ja antureiden rakentamisessa, usein työntäen rajoja siitä, mitä on mahdollista sen terveydenhuollon ja kannettavien laitteiden niche‑alueella.

Kun kannettavat laitteet ja lääketieteellinen elektroniikka integroidaan yhä enemmän terveydenhuoltoon ja lääketieteellisiin protokolliin, Philipsin Healthcare‑segmentti todennäköisesti kasvaa osana konsernia.

Viimeisimmät Koninklijke Philips N.V. (PHG) -osakkeen uutiset ja kehitykset

Tutkimusviite:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Volume37, Issue19. 12. toukokuuta 2025}