麻省理工学院（MIT）的研究人员与布列根和妇女医院（Brigham and Women's Hospital,BWH）的科学家合作，研发了一种新的方式来对植入人体深处的设备进行供电和通信。
图源：麻省理工学院授权
麻省理工学院的研究人员与布列根和妇女医院的科学家合作，研发了一种新的方式来对植入人体深处的设备进行供电和通信。这种装置可用于输送药物、监测体内状况，或通过用电或光刺激大脑来治疗疾病。
这些植入设备由射频电波驱动，而此类电波可以安全地穿透人体组织。在动物实验中，研究人员证实其可以在1米远处为位于体内组织中10厘米深的设备供电。
麻省理工学院媒体实验室（Media Lab）助理教授，该论文的资深作者Fadel Adib说：“尽管这些微型植入式设备没有电池，但我们现在可以在体外一定距离与它们进行通信。这开辟了一种全新的医疗应用类型。”该论文将于8月份在国际计算机学会数据通信特别兴趣小组（Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication, SIGCOMM）会议上发布。
因为这些设备不需要电池，所以它们的体积可以很小。在这项研究中，研究人员测试了一个约为米粒大小的样机，但他们预计该样机还可以做得更小。
“有能力与这些系统进行通信而不需要电池将是一项重大进步，这些设备可以兼容传感功能以及帮助输送药物。”布列根和妇女医院和哈佛医学院助理教授，麻省理工学院科赫综合癌症研究所（Koch Institute for Integrative Cancer Research）研究员，以及该论文的作者，Giovanni Traverso说。
本文的其他作者包括媒体实验室博士后Yunfei Ma，媒体实验室研究生Zhihong Luo，科赫研究所和BWH隶属博士后Christoph Steiger。
无线通信
可以摄入或植入体内的医疗设备能为医生提供诊断、监测和治疗许多疾病的新方法。Traverso的实验室现在正在研究各种可用于输送药物、监测生命体征以及检测胃肠道运动的可摄入系统。
在大脑中植入可传导电流的电极，已被应用于深部脑刺激（deep brain stimulation）的技术，该技术通常用于治疗帕金森病或癫痫。这些电极现在由植入在皮肤下的类起搏器装置控制，如果使用无线输电，则可以取消这些电极。基于光遗传学原理，无线大脑植入设备可以帮助提供光来刺激或抑制神经元活动。虽然目前它尚未适用于人类，但可用于多种神经疾病的治疗。
目前，如心脏起搏器等的植入式医疗设备都自带电池，而电池会占用设备的大部分空间并且其寿命有限。致力于小型无电池设备研制的Adib一直在探索通过身体外部的天线，发射无线电波为植入式设备供电的可能性。
到目前为止，要实现这些仍然比较困难，因为无线电波在穿过身体时会出现损耗，导致其衰减而无法提供足够的功率。为了克服这一点，研究人员设计了一个他们称之为“体内网络（IVN）”的系统。这个系统依赖于一个天线阵列，每个天线发射的无线电波频率稍有不同。随着无线电波的传播，它们以不同的方式重叠和结合。在某些地方，波峰相重叠，从而可以提供足够的能量来为植入的传感器供电。
“我们选择彼此略有不同的频率，在这种情况下，这些电波将于某个时间点同时达到波峰。当它们同时达到波峰时，它们能够超过为设备供电所需的能量阈值。”Adib说。
有了这个新系统，研究人员不需要知道传感器在身体中的确切位置，因为电力是面向大面积范围输送的。这也意味着他们可以同时为多个设备供电。在传感器接收到能量脉冲的同时，也会收到一个信号，这个信号告诉它们将信息传递回天线。研究人员说，这个信号也可以用来刺激释放药物、产生电脉冲或光脉冲。
远距离供电
研究人员在猪身上进行的测试表明，它们可以在体外1米远的距离将电力传送至植入体内10厘米深的传感器中。如果传感器位于非常接近皮肤表面的位置，它们可以在距离最远38米处供电。
Adib说：“在传感器能放入体内多深和供电设备与身体距离之间，目前两者存在权衡关系。”
研究人员目前正在努力使电力输送效率更高，传送距离更远。研究人员说，这项技术还具有改善RFID（无线电射频技术）在库存控制、零售分析和“智能”环境等其他领域应用的潜力，可实现远程目标跟踪和通信。
该研究由媒体实验室联盟和国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助。
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