Ny ultraljudsteknik driver medicinska implantat trådlöst

Utmaningen med att driva avancerade medicinska implantat

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.

Att förbättra människokroppen eller ersätta defekta delar har varit ett mål för medicinen redan så tidigt som den första grova protesen i antiken. Allt eftersom mekaniska komponenter blir mer komplexa har idén att ersätta delar av kroppen blivit alltmer populär bland science fiction‑entusiaster, vilket ledde till idén om cyborger, människor som skulle vara halvt mänskliga, halvt maskin.

Till viss del kan vi hävda att detta redan sker, med operationer som pacemaker‑implantat eller höftoperationer som utförs rutinmässigt och kompletterar problem i hjärtmuskeln eller patientens leder, och förbättrar dem med metalliska implantat.

Eftersom neurala implantat och andra avancerade medicinska implantat blir en sannolik verklighet under det kommande decenniet, kommer vi faktiskt närmare än någonsin att skapa riktiga cybernetiska kroppar.

Det finns dock fortfarande ett återkommande problem för de flesta medicinska implantat: strömförsörjning. Pacemakers klarar sig med mycket små batterier eftersom de bara behöver mycket begränsade effektnivåer. Men implantat som neurala chip kommer sannolikt att kräva mycket mer energi.

Traditionella trådlösa laddningsmetoder, såsom elektromagnetisk induktion och radiovågsbaserade system som vanligtvis används i smartphones och hörlurar, står inför flera utmaningar.

De kan vara sårbara för problem som korta överföringsavstånd, låg energieffektivitet i biologisk vävnad och känslighet för elektromagnetisk störning.

En annan metod kan bli möjlig, enligt forskarnas arbete vid Korea University, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Sydkorea), Yonsei University (Sydkorea) och University of California.

De utvecklade ett sätt att ladda medicinska enheter trådlöst med hjälp av ultraljud istället. De publicerade sin upptäckt i Advanced Materials¹, under titeln “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Varför trådlös energi har svårt att tränga igenom mänsklig vävnad

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

Elektroniska implanterbara medicinska enheter (IMD) används i terapeutiska tillämpningar för sjukdomar eller skador, såsom neurostimuleringsterapi och kardiovaskulär behandling/övervakning.

De kräver regelbundna operationer för batteribyte, vilket kan leda till patientkomplikationer såsom infektioner på operationsstället, biofilmbildning och höga sjukvårdskostnader.

Vissa metoder försöker utnyttja kroppens omgivande energi, såsom blodsocker, för att driva dessa enheter.

För vissa tillämpningar gör effektkraven sådana alternativ orealistiska. För framtida tillämpningar som neurala implantat är detta ännu mindre sannolikt att fungera, vilket skulle göra dem mycket invasiva.

Fjärröverföring av energi med elektromagnetiska eller radiovågsystem penetrerar dåligt i biologisk vävnad och kan orsaka oönskade biverkningar.

Fotovoltaisk trådlös energitransfer är också olämplig på grund av problem med låg ljuspenetration i vävnad och termisk vävnadsskada.

I kontrast tolereras ultraljud väl av biologisk vävnad och kan penetrera djupt utan att orsaka skada, vilket är anledningen till att de rutinmässigt används för diagnostiska ändamål, även på gravida kvinnor.

Hur ultraljud möjliggör trådlös laddning av implantat

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).

Tack vare sin långa historia inom diagnostik drar ultraljud redan nytta av en omfattande mängd medicinska studier och normer som fastställer säkra energinivåer för ultraljud som kan användas (FDA definierar detta som maximalt 0,72 W per kvadratcentimeter).

Two types of devices can convert ultrasound to electricity: piezoelectric (US-PENGs) and triboelectric nanogenerators (US-TENGs).

Två typer av enheter kan omvandla ultraljud till elektricitet: piezoelektriska (US-PENGs) och triboelektriska nanogeneratorer (US-TENGs).

US-PENGs have been developed for powering electronic implants, but commonly rely on lead-based piezoelectric ceramics, which are often rigid and may pose toxicity concerns.

US-PENGs har utvecklats för att driva elektroniska implantat, men förlitar sig ofta på blybaserade piezoelektriska keramer, som ofta är styva och kan medföra toxicitetsrisker.

It is why the researchers focused instead on US-TENG technology.

Det är därför forskarna istället fokuserade på US-TENG-teknik.

This biocompatible-covered device, with a thickness of 0.4 mm, achieves a high charge density suitable for powering electronic devices up to ≈6 cm deep at noninvasive ultrasound intensities.

Denna biokompatibelt täckta enhet, med en tjocklek på 0,4 mm, uppnår en hög laddningstäthet som är lämplig för att driva elektroniska enheter upp till ≈6 cm djup vid icke‑invasiva ultraljudsintensiteter.

Hur det fungerar

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).

Tunna polymerfilmer användes för att skapa en helt flexibel US-TENG, med lager av plastmaterial staplade på varandra, inklusive akryl eller poly-(metylmetakrylat) (PMMA).

Källa: Advanced Materials

Perfluoroalkoxyalkaner (PFA) användes för sina triboelektriska egenskaper under mekanisk energi. Ett nanoskikts lager av elektrod deponerades för att bevara de unika egenskaperna hos PFA-filmen.

Ett robust lager av polyuretan (PU) och polyvinylidenfluorid-trifluoroetan, samt kalciumkoppertitanat (P(VDF‑TrFE)pol/CCTO) användes också för att maximera den elektriska laddningsproduktionen.

Källa: Advanced Materials

Test av det ultraljudsdrivna implantatet under verkliga förhållanden

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

Hela enheten kapslades sedan in i en polydimetylsiloxan (PDMS)-lösning för vattentäthet.

This flexible US-TENG was tested for performance in water, polymer/hydrogel, and porcine tissue.

Denna flexibla US-TENG testades för prestanda i vatten, polymer/hydrogel och gristyg.

The first practical application would be to deploy this device in a pacemaker so that there is no more need for extra surgery to change the battery of the device.

Den första praktiska tillämpningen skulle vara att integrera denna enhet i ett pacemaker så att det inte längre behövs extra operation för att byta batteri i enheten.

Källa: Advanced Materials

Parallellt har biokompatibiliteten hos P(VDF‑TrFE)/CCTO‑kompositen avseende cytotoxicitet och genotoxicitet bekräftats, vilket verifierar att den är lika säker i praktiken som tidigare studier påstått.

Energigenereringen mättes exakt med en laservibrationsmätare, som kontrollerade enhetens vibration. Detta bekräftade en 44 % förbättrad förstärkning av US‑TENG jämfört med den som rapporterades i föregående version av liknande teknik.

Källa: Advanced Materials

Till slut testade de systemets effektivitet beroende på ultraljudsintensitet, avstånd och vinkel på ultraljudskällan, för att avgöra om det kunde användas under realistiska förhållanden för en medicinsk enhet i människokroppen.

Det bekräftade att relativt låg ultraljudsintensitet, avstånd så djupt som 4–8 centimeter (1,5–3 tum) och ett relativt brett vinkelintervall kunde fungera.

Källa: Advanced Materials

Säkerställande av flexibilitet och hållbarhet för medicinska implantat

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.

En annan utmaning för implanterbara medicinska enheter är att de idealiskt måste vara mycket flexibla, eftersom människokroppen inte är en robotram och organ rör sig, särskilt hjärtmuskeln.

This is why the researchers not only used flexible materials but also measured if they stayed efficient enough when bent.

Det är därför forskarna inte bara använde flexibla material utan också mätte om de förblev tillräckligt effektiva när de böjdes.

Källa: Advanced Materials

De fann att den förlorade en liten del av energigenereringen när den böjdes i en riktning, men faktiskt ökade något när den böjdes i den andra riktningen. Ökningen i energigenerering berodde på förbättrat fångande av ultraljudsvågor i den skålformade enheten och ökade vågkollisioner på enhetens yta.

Detta visade ändå att enheten kunde böjas utan att skada eller förlora sina energigenererande egenskaper.

Genom denna forskning har vi visat att trådlös energitransmissionsteknik med ultraljud kan tillämpas praktiskt.

Vi planerar att genomföra ytterligare forskning för miniaturisering och kommersialisering för att påskynda den praktiska tillämpningen av tekniken.

Dr. Sunghoon Hur – Forskare vid KIST

Slutgiltiga tankar: Nästa steg för ultraljudsimplantatteknik

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

Medicinska enheter som kan laddas trådlöst skulle vara en enorm förbättring för miljontals patienter globalt.

Detta skulle också lyfta begränsningarna för mer ambitiösa implantatidéer som hittills har hindrats av avsaknaden av en realistisk energiförsörjning som är tillräcklig för att utföra uppgiften. Det kan inkludera implantat som levererar medicin direkt i blodomloppet, övervakar specifika kemikalier, neurala implantat osv.

Denna implantatteknik kan snabbt implementeras, med endast 0,4 mm tjocklek, stark flexibilitet, god biokompatibilitet och enkel tillverkning utan sällsynta exotiska material.

Tekniken kan även hitta tillämpningar bortom medicinska enheter, eftersom den lika lätt kan användas för att ladda undervattensdroner utan kontakt, vilket eliminerar behovet av att skapa vattentäta elektriska laddare.

Investera i HealthTech 

Philips är ett välkänt konsumentmärke för små elektronikprodukter (rakapparater, elektriska tandborstar) och är lika aktivt inom sjukvården. Till exempel var de nummer ett för MedTech‑patentansökningar i Europa år 2022.

De är aktiva inom anslutna medicinska produkter, från wearables till bilddiagnostik, respiratorer eller medicinska robotar.

Företaget är också aktivt inom halvledare (inklusive maglev‑teknik) och högteknik/robotik/automation, där varje verksamhet delar en gemensam teknologisk grund.

Källa: Philips

Philips erbjuder wearables för hjärt-, andnings- och aktivitetsmått. Dess sensorer kan integreras i smartklockor, hälsomonitorer, medicinska plåster och aktivitetsspårare.

Philips expertis inom biokompatibla sensorer, halvledare och trådlösa lösningar kan göra dem till en ledare inom avancerade medicinska implantat med trådlös laddning.

För medicinska enheter föredrar Philips en partnerskapslösning, där de utvecklar för tredje parters anslutna IoT (Internet of Things) medicinska enheter som är fullt kompatibla med resten av Philips lösningar. I det sammanhanget erbjuder de sina kunder prototypframtagning, regulatorisk rådgivning, helhetsutveckling av produkter och industriell storskalig produktion.

Detta gör Philips till ett teknikfokuserat företag och en sannolik kandidat för att snabbt integrera innovationer i befintliga medicinska enheter. Totalt påverkade Philips enheter direkt över 1,8 + miljarder människor.

Företaget vill skapa en fullt integrerad digital vårdmiljö, där sensorer matchar enheter, och sedan använda flera anslutningslösningar för att integrera i Philips HealthSuite Cloud‑lösning och möjliggöra djupgående dataanalys.

Källa: Philips

Som leverantör inom MedTech‑industrin, ofta tillverkande för andra varumärken, är Philips inte lika synligt i sektorn som andra, mer framstående företag. Däremot är de experter på att bygga högpresterande elektroniska enheter och sensorer, och de driver ofta gränserna för vad som är möjligt inom deras nisch i sjukvård och wearables.

Med wearables och medicinsk elektronik som i allt högre grad integreras i sjukvård och medicinska protokoll, kommer Philips Healthcare‑segment sannolikt att växa som en del av koncernen.

Senaste nyheter och utveckling för Koninklijke Philips N.V. (PHG)

Studierreferens:

^{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. Volym 37, Nummer 19. 12 maj 2025}