Kleines drahtloses Gerät macht sich selbst durch Blutkreislauf

Ingenieure an der Stanford University haben gezeigt, wie sich ein winziges, von außen gesteuertes, drahtlos betriebenes medizinisches Gerät in einer Art und Weise bewegen kann, die an den Film Fantastic Voyage von 1966 erinnert, bei dem ein mikroskopisches U-Boot und eine wissenschaftliche Crew in den Blutkreislauf injiziert werden eines Mannes.
Assistant Professor und Elektroingenieur Ada Poon leitet die Poon Research Group an der Stanford University School of Engineering. Sie und ihr Team verfolgen neue Wege, um drahtlose Kommunikation und integrierte Schaltungstechnologien in der Medizin zu nutzen.
Anfang dieses Jahres präsentierte Poon auf der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) in San Francisco vor einem Publikum ihrer Kollegen eine Studie, die den Tag vorschlägt, an dem wir eingeladen werden, den Chirurgen im Rahmen eines diagnostischen Tests zu "schlucken" kann näher sein als wir uns vorgestellt haben.
Poon sagte in einer Stanford-Mitteilung im März:
"Es gibt noch viel Raum für Verbesserungen und es bleibt viel Arbeit, bis diese Geräte für medizinische Anwendungen bereit sind. Aber zum ersten Mal seit Jahrzehnten scheint die Möglichkeit näher als je zuvor."
Kleine implantierbare medizinische Geräte gibt es schon seit einiger Zeit, aber die meisten sind durch Leistungsbeschränkungen begrenzt: Ihre Batterien sind groß und schwer und müssen hin und wieder ersetzt werden. Sie nehmen fast die Hälfte des Geräts ein.
Poons Labor entwickelt eine neue Art von Gerät, das in den Körper implantiert oder injiziert werden kann und drahtlos über elektromagnetische Funkwellen betrieben wird, die von außerhalb des Körpers übertragen werden. Wenn keine Batterie oder Kabel benötigt werden, kann es klein und unbelastet sein.
Co-Autorin der Studie, Teresa Meng, ist Professorin für Elektrotechnik und Informatik an der Stanford Universität. Sie sagte, während die Implantattechnologie die schrumpfenden elektronischen und mechanischen Teile geübt hat, ist der Energiespeicher zurückgeblieben.
"Dies verhindert, dass wir Implantate im Körper platzieren können, sondern auch das Risiko von Korrosion oder gebrochenen Kabeln, ganz zu schweigen von alternden Batterien", erklärte sie.
Poon sagte, solche Geräte könnten "die Medizintechnik revolutionieren" und Anwendungen von der Diagnostik bis zur minimal-invasiven Chirurgie anbieten. Stationäre Versionen umfassen Geräte wie Medikamentenpumpen, Cochlea-Implantate, Herzschrittmacher, Herzsonden und Drucksensoren.
Geräte wie das von Poon entwickelte Labor sind jedoch dafür ausgelegt, durch den Blutkreislauf zu wandern. Solche Anwendungen bieten viele Anwendungen, einschließlich der Verabreichung von Medikamenten, die Analyse von Zielstellen und möglicherweise sogar das Aufbrechen von Blutgerinnseln oder das Wegschleudern von Plaque in sklerotischen Arterien.
Das Gerät, an dem Poons Labor arbeitet, nutzt für seine Energiequelle einen Funksender außerhalb des Körpers, um ihm Signale zu senden, während er sich im Körper bewegt.
Die Signale kommen an der winzigen Wendeldrahtantenne des Geräts an, die magnetisch mit dem Körper des Geräts gekoppelt ist, so dass jede Änderung des Stromflusses in dem externen Sender eine Spannung in dem gewickelten Draht induziert, wodurch die für den Antrieb und die Arbeit benötigte Energie drahtlos erzeugt wird Gerät.
Diese einfache Beschreibung widerlegt die Herausforderungen, die zur Schaffung eines solchen Geräts bewältigt wurden. Eine dieser Herausforderungen bestand darin, einige etablierte Annahmen über die drahtlose Übertragung von Energie in den menschlichen Körper zu umgehen.
Ein großer Teil der Mathematik hinter Modellen, die die Machbarkeit elektromagnetischer Wellen zur Erzeugung von Energie in einem implantierten Gerät testen, geht davon aus, dass menschliches Gewebe ein guter elektrischer Leiter ist und daher die hochfrequenten Radiowellen ableiten würde, bevor sie ein solches Gerät erreichen könnten.
Aber als Poon eine andere Annahme einschloss, war das menschliche Gewebe ein Dielektrikum, eine Art Isolator, und die Gleichungen funktionierten.
Und tatsächlich, wie sich herausstellt, ist menschliches Gewebe ein schlechter elektrischer Leiter, aber weil es vom dielektrischen Typ ist, erlaubt es immer noch Radiowellen, es zu durchqueren.
Poons Labor entdeckte auch, dass menschliches Gewebe ein "verlustarmes" Dielektrikum ist, ein großer Vorteil für ihre Anwendung, da dies bedeutet, dass auf dem Weg zum implantierten Gerät nur wenig von dem elektromagnetischen Signal verloren geht.
Und als sie ihre neuen Annahmen in die Gleichungen einfügten, machten sie eine überraschende Entdeckung: Die hochfrequenten Radiowellen wandern im menschlichen Gewebe viel weiter, als die ursprünglichen Modelle vermuten ließen.
Es ging weniger um neue Technologien als vielmehr um neue Mathematik in die Technologie.
Sie fanden auch heraus, dass die optimale Frequenz für die kabellose Stromversorgung des Geräts etwa 100 Mal höher war als bisher angenommen, also etwa 1 Gigahertz.
Ein echter Vorteil dieser Entdeckung besteht darin, dass die Antenne etwa 100 mal kleiner sein könnte als bisher angenommen und immer noch in der Lage ist, die gleiche Energiemenge für das Gerät zu erzeugen. Die Antenne, die Poon und seine Kollegen auf der Konferenz zeigten, ist nur zwei Millimeter quadratisch, was es ihm ermöglicht, im menschlichen Blutkreislauf zu reisen.
Das Poon-Team hat zwei Prototypenversionen entwickelt: Eine bewegt sich mit einem halben Zentimeter pro Sekunde und ist darauf angewiesen, elektrischen Strom direkt durch das Medium zu treiben, um das Gerät anzutreiben; und der andere bewegt sich wie jemand, der ein Kajak paddelt, er schwingt von Seite zu Seite, während ein Strom, der in einer Drahtschleife hin und her erzeugt wird, ihn vorwärts treibt.
Mittel aus dem C2S2 Focus Center, der Olympus Corporation und der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company halfen, die Forschung zu finanzieren.
Geschrieben von Catharine Paddock

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