Bagong Ultrasound Tech Pinapower ang Medical Implants nang Wirelessly

Ang Hamon ng Pagpapower sa Advanced Medical Implants

Ang pagpapabuti ng katawan ng tao, o pagsasali ng mga depektong bahagi, ay isang layunin ng medisina mula noong unang mga crude prosthesis ng sinaunang panahon. Paggamit ng mga mechanical na bahagi, ang ideya ng pagsasali ng mga bahagi ng katawan ay naging tanyag sa mga tagahanga ng science fiction, na humantong sa konsepto ng mga cyborg, mga tao na kalahati ay tao at kalahati ay machine.

Sa ilang paraan, maaari nating sabihin na ito ay nangyayari na, kasama ang mga operasyon tulad ng pag-aalis ng pacemaker at mga operasyon sa hip, na ginagawa ng rutina at pagsasali ng mga problema sa kalamnan ng puso at articulation ng mga pasyente, na pinalakas ng mga metallic implants.

Habang ang mga neural implants at iba pang advanced medical implants ay naging isang posibleng realidad sa mga darating na dekada, tayo ay talagang lumalapit sa paglikha ng tunay na cybernetic bodies.

Mayroon pa ring isang paulit-ulit na isyu para sa karamihan ng mga medical implants: power supply. Ang mga pacemaker ay gumagamit ng mga maliit na battery dahil sila ay nangangailangan lamang ng limitadong antas ng power. Ngunit ang mga implants tulad ng neural chips ay malamang na mangangailangan ng mas maraming enerhiya.

Ang mga tradisyonal na wireless charging methods, tulad ng electromagnetic induction at radio frequency-based systems na karaniwang ginagamit sa mga smartphone at earbuds, ay nagkakaroon ng ilang mga hamon.

Maaari silang maging vulnerable sa mga isyu tulad ng maikling distansya ng transmisyon, mababang enerhiya efficiency sa mga biolohikal na tissue, at vulnerability sa electromagnetic interference.

Ang isang ibang pamamaraan ay maaaring maginhawa, ayon sa paggawa ng mga mananaliksik sa Korea University, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Timog Korea), Yonsei University (Timog Korea), at University of California.

Silang nag-develop ng isang paraan upang muling mag-charge ng mga medical devices nang wirelessly gamit ang ultrasounds. Sila ay naglathala ng kanilang pagtuklas sa Advanced Materials, sa ilalim ng pamagat na “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.

Bakit ang Wireless Energy ay Nahihirapan na Pumasok sa Human Tissue

Ang mga electronic implantable medical devices (IMDs) ay ginagamit sa mga terapeutikong aplikasyon ng mga sakit o mga pinsala, tulad ng neurostimulation therapy at cardiovascular curing/monitoring.

Kailangan nilang regular na operasyon para sa pagpapalit ng battery, na maaaring humantong sa mga komplikasyon sa pasyente tulad ng mga impeksyon sa surgical site, biofilm formation, at mataas na gastos sa healthcare.

Ang ilang mga pamamaraan ay tumitingin sa paggamit ng ambient energy ng katawan, tulad ng dugo sugar upang mag-power ng mga devices na ito.

Para sa ilang mga aplikasyon, ang mga kinakailangang power ay gumagawa ng mga ganitong mga pagpipilian na hindi realistiko. Para sa mga darating na aplikasyon tulad ng neural implants, ito ay lalong hindi malamang na maginhawa, na siyang magpapanatili ng mga ito na invasive.

Ang remote transfer ng enerhiya gamit ang electromagnetic o radio wave systems ay hindi gaanong pumapasan sa mga biolohikal na tissue at maaaring magdulot ng hindi kanais-nais na mga epekto.

Ang photovoltaic wireless energy transfer ay hindi rin angkop dahil sa mga isyu sa mababang penetrasyon ng liwanag sa loob ng tissue at thermal tissue damage.

Sa kabila nito, ang mga ultrasounds ay mahihinahon ng mga biolohikal na tissue at maaaring pumasok nang malalim na walang paggawa ng anumang pinsala, kaya sila ay rutinang ginagamit para sa mga diagnostikong layunin, kasama ang mga buntis na babae.

Paano ang Ultrasound ay Nag-eenable ng Wireless Implant Charging

Salamat sa mahabang kasaysayan ng paggamit nito sa mga diagnostiko, ang ultrasound ay mayroon ng malaking katawan ng mga medikal na pag-aaral at mga norma na nagtatakda ng ligtas na antas ng enerhiya ng ultrasounds na maaaring gamitin (ang FDA ay nagtatakda ng isang maximum na 0.72 W bawat square centimeter).

Dalawang uri ng mga device ang maaaring mag-convert ng ultrasound sa elektrisidad: piezoelectric (US-PENGs) at triboelectric nanogenerators (US-TENGs).

Ang mga US-PENGs ay na-develop para sa pag-power ng mga electronic implants, ngunit karaniwang umaasa sa lead-based piezoelectric ceramics, na madalas na rigid at maaaring magdulot ng mga isyu sa toxicity.

Ito ang dahilan kung bakit ang mga mananaliksik ay nakatuon sa US-TENG technology.

Ang biocompatible-covered na device na ito, na may kapal na 0.4 mm, ay nakakamit ng mataas na charge density na angkop para sa pag-power ng mga electronic devices hanggang sa ≈6 cm malalim sa noninvasive ultrasound intensities.

Paano Ito Gumagana

Ang mga thin polymeric films ay ginamit upang lumikha ng isang fully flexible US-TENG, na may mga layer ng plastic material na nakapila sa bawat isa, kasama ang acrylic o poly-(methyl methacrylate) (PMMA).

Source: Advanced Materials

Ang mga perfluoroalkoxy alkanes (PFA) ay ginamit para sa kanilang triboelectric properties sa ilalim ng mechanical energy. Ang isang nano-scale layer ng electrode ay na-deposito upang panatilihin ang mga natatanging katangian ng PFA film.

Ang isang robust layer ng polyurethane (PU) at polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene, at calcium copper titanate (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) ay ginamit upang maksimisa ang produksyon ng electric charge.

Source: Advanced Materials

Pagti-test ng Ultrasound-Powered Implant sa mga Tunay na Kondisyon

Ang buong device ay na-encapsulate sa isang polydimethylsiloxane (PDMS) solution para sa waterproofing.

Ang flexible US-TENG na ito ay na-test para sa pagganap sa tubig, polymer/hydrogel, at porcine tissue.

Ang unang praktikal na aplikasyon ay mag-deploy ng device na ito sa isang pacemaker upang walang pangangailangan para sa karagdagang operasyon upang palitan ang battery ng device.

Source: Advanced Materials

Sa parallel, ang biocompatibility ng P(VDF-TrFE)/CCTO composite sa mga termino ng cytotoxicity at genotoxicity ay na-kumpirma, na nagpapatunay na ito ay ligtas sa praktika tulad ng naipakita ng mga naunang pag-aaral.

Ang energy generation ay na-sukat ng mahusay gamit ang isang laser vibrometer, na nagpapatunay ng vibration ng device. Ito ay nagpapatunay ng 44% na pagtaas ng US-TENG kumpara sa naunang bersyon ng katulad na kategorya ng teknolohiya.

Source: Advanced Materials

Sa huli, sila ay na-test ng efficiency ng system depende sa ultrasound intensity, distance, at anggulo ng ultrasound source, na nagpapatunay kung ito ay maaaring gamitin sa mga tunay na kondisyon para sa isang medical device sa loob ng katawan ng tao.

Ito ay nagpapatunay ng relatibong mababang ultrasound intensity, distance na malalim na 4-8 centimeters (1.5-3 inches) at isang relatibong malawak na hanay ng mga anggulo na maaaring gumana.

Source: Advanced Materials

Pagti-tiyak ng Fleksibilidad at Durabilidad ng mga Medical Implants

Ang isang ibang hamon ng mga implantable medical devices ay na sila ay ideal na dapat na maging very flexible, dahil ang katawan ng tao ay hindi isang robotic frame at ang mga organo ay gumagalaw, lalo na ang cardiac muscle.

Ito ang dahilan kung bakit ang mga mananaliksik ay hindi lamang gumamit ng mga flexible materials kundi na-test din kung sila ay nananatiling sapat na efficient kapag binend.

Source: Advanced Materials

Silang nakita na ito ay nawawala ng kaunti sa energy generation kapag binend sa isang direksyon, ngunit na-kakuha pa ng kaunti kapag binend sa ibang direksyon. Ang pagtaas ng energy generation ay dahil sa enhanced trapping ng mga ultrasound waves sa bowl-shaped device at increased wave collisions sa surface ng device.

Ito ay nagpapatunay na ang device ay maaaring binend nang walang paggawa ng anumang pinsala o pagkawala ng mga katangian ng energy-generating.

“Sa pamamagitan ng paggawa na ito, napatunayan namin na ang wireless power transmission technology gamit ang ultrasound ay maaaring magamit sa praktika.”

“Plano namin na magpatuloy ng karagdagang pag-aaral para sa miniaturization at commercialization upang mapabilis ang praktikal na aplikasyon ng teknolohiya.”

Dr. Sunghoon Hur – Mananaliksik sa KIST

Mga Huling Pag-iisip: Mga Susunod na Hakbang para sa Ultrasound Implant Tech

Ang mga medical devices na maaaring muling mag-charge nang wirelessly ay magiging isang malaking pagbutihin para sa milyun-milyong pasyente sa buong mundo.

Ito ay aalisin ang limitasyon ng mga mas ambisyosong mga ideya ng implants na hanggang ngayon ay limitado ng kakulangan ng isang realistiko na energy supply na sapat upang maganap ng mga gawain. Ito ay maaaring kasama ang mga implants na nagde-deliver ng gamot direktang sa bloodstream, monitoring ng mga specific na kemikal, neural implants, at iba pa.

Ang teknolohiyang ito ng implant ay maaaring mabilis na mai-deploy, na may kapal na 0.4 mm, malakas na fleksibilidad, magandang biocompatibility, at kadaliang paggawa nang walang mga bihirang materyales.

Ang teknolohiyang ito ay maaaring magamit din sa labas ng mga medical devices, dahil ito ay maaaring gamitin upang mag-charge ng mga underwater drones nang walang contact, na aalisin ang pangangailangan ng paggawa ng mga waterproof electric chargers.

Pag-iinvest sa HealthTech

Koninklijke Philips N.V.

Ang Philips ay isang kilalang tanyag na brand ng mga maliliit na electronics consumer (shavers, electric toothbrushes), na aktibo rin sa healthcare. Halimbawa, ito ay nanguna sa pag-file ng mga patent para sa MedTech sa Europa noong 2022.

Ito ay aktibo sa mga connected medical products, mula sa wearables hanggang sa imaging, respirators, o medical robots.

Ang kompanya ay aktibo rin sa semiconductors (kasama ang maglev technology) at high-tech/robotics/automation, na may bawat gawain na nagbabahagi ng isang karaniwang teknolohikal na base.

Source: Philips

Ang Philips ay nag-aalok ng wearables para sa cardiac, respiratory, at activity metrics. Ang kanilang mga sensor ay maaaring i-integrate sa mga smartwatches, health monitors, medical patches, at activity trackers.

Ang ekspertisa ng Philips sa biocompatible sensors, semiconductors, at wireless solutions ay maaaring gawing lider ito sa mga advanced medical implants na may wireless charging.

Para sa mga medical devices, ang Philips ay pumapabor sa isang partnership solution, kung saan ito ay nagde-develop para sa mga third party ng kanilang connected IoT (Internet of Things) medical devices na fully compatible sa iba pang mga solusyon ng Philips. Sa ganitong konteksto, ito ay nag-aalok ng mga kliyente ng prototyping, regulatory advising, end-to-end product development, at industrial-scale production.

Ito ay ginagawa ang Philips na isang kompanyang nakatuon sa teknolohiya at isang malamang na kandidato para sa mabilis na integrasyon ng mga inobasyon sa mga umiiral na medical devices. Sa kabuuan, ang mga device ng Philips ay direktang naaapektuhan ng 1.8+ bilyong tao.

Ang kompanya ay nais na lumikha ng isang fully integrated digital healthcare environment, kung saan ang mga sensor ay tumutugma sa mga device, at pagkatapos ay gumagamit ng mga solusyon sa connectivity upang i-integrate ito sa Philips HealthSuite Cloud solution at pahintulutan ang mga malalim na data analytics.

Source: Philips

Bilang isang supplier ng MedTech industry, na madalas na nagmamarket para sa iba pang mga brand, ang Philips ay hindi gaanong nakikita sa sektor kumpara sa iba pang mga kompanya. Ngunit ito ay isang eksperto sa paggawa ng mga high-performance electronic devices at sensors, na madalas na nagpupush ng mga hangganan ng kung ano ang posible sa kanilang niche sa healthcare at wearables.

Habang ang mga wearables at medical electronics ay hindi gaanong ikinakalakal sa healthcare at medical protocols, ang segment ng Healthcare ng Philips ay malamang na lalaki bilang bahagi ng konglomerate.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Koninklijke Philips N.V. (PHG) Stock

Reference sa Pag-aaral:

^{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. May 12, 2025}