美國工程師開發植入醫療器械無線充電技術

新浪科技訊 北京時間5月21日消息，據物理學家組織網站報導，一名美國斯坦福大學的電子工程師日前開發出一種方法，可以以無線方式向人體內傳輸電力，從而驅動植入人體內的各種微型醫療器件，如心臟起搏器，神經刺激器，或是未來可能出現的其他類型的醫療器械。

這項成果發表在近日出版的《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。這是阿達·朴恩(Ada Poon)多年努力的結晶，他本人是一位電子工程學的助理教授。他的這項成果將有助於將那些複雜龐大的電池以及充電系統從植入型醫療器件中去除。

這項技術或將開闢一條通往一種新型醫學的道路，在這種新型醫學中，醫生們將更加依賴各種微型器械來治療疾病，而不是傳統的藥物。

朴恩表示：“我們需要將這些器械設計地越小越好，這樣才能便於更深地植入人體，從而創造一種全新的治療疾病或是緩和病痛的方式。”

在他們發表的論文中，朴恩的研究組詳細論述了他們研製的一種比米粒還要小的心臟起搏器。它可以通過無線方式實現充電，方法是拿起一張跟信用卡差不多大小的充電裝置貼在自己胸口上，這樣就能夠為植入在體內的起搏器充電。

這是一項工程學的突破性成就——僅僅需要大致與一台智能手機所需相同的電量，你就可以實現為深深植入體內的電子器件安全地進行無線充電。朴恩在其論文中還提到，一家獨立實驗室對他們的設備進行了測試，發現其生的輻射量遠遠低於人體健康限值。

朴恩的實驗室在一頭豬的身上測試了其無線充電能力，並用一隻兔子測試了其為心臟起搏器充電的功能。目前研究人員正在准備開戰人體測試。即便接下來的人體測試順利得到批准並且一切進展順利，那麼它也還將需要數年的時間才能滿足進入大規模商業應用階段前所要求的安全性和可靠性要求。

朴恩相信這項成果最終將會催生出新一代的可編程微型植入醫療器械——如可以監測關鍵性生理信號的的感受器；向大腦發送神經信號的電子激發器，以及可以直接將藥物送至患病處的體內藥物遞送系統。

威廉·紐森(William Newsome)是美國斯坦福大學神經科學研究所主管，他表示朴恩的工作開創了可能性，即開發出某些“電子藥物”，用於替代傳統的藥品用於疾病治療。

紐森本人並未參與朴恩的研究組，但對她的工作相當熟悉。他表示這種治療方案將會比傳統藥物更加有效，因為電子藥物方法將會直接將特殊的微型器械植入到大腦的特定區域並發揮作用，而傳統藥物則會對整個大腦生作用。

紐森表示：“要想讓電子藥物實用化，這些植入器械必須進一步小型化，並且必須實現無線充電，它們可以被深深地植入大腦，距離大腦表層好幾厘米。”而朴恩的研究組解決了安全地進行無線充電的問題，讓我們在這條道路上邁出了一大步。

如何運作？

在他們的論文中還介紹了這一成果的研發團隊，這是一個跨學科的研究組，其中包括朴恩實驗室的電子工程學研究生John Ho以及Alexander Yeh，還有訪問學者Yuji Tanabe，以及斯坦福大學醫學中心心胸外科助理教授Ramin Beygui。

這項成果的核心就在於研究組運用了一種新的手段來控制電磁波在人體內的傳輸。

電磁波遍佈宇宙。我們每天都要接觸它們，比如我們的廣播電視信號，微波爐，現在甚至還有使用無線充電的電動牙刷。

在朴恩的發明問世之前，我們日常接觸的電磁波可以被大致分為兩大類，即所謂的遠場以及近場電磁波。

遠場電磁波，如廣播塔發出的信號，可以進行長距離傳播。但當它們在遭遇生物組織時要麼會被直接反射掉，或者就被生物體的皮膚以熱的形式吸收了。不管從哪個角度來看，這種遠場電磁波都已經被排除在了用作無線充電的備選方案之外。

而近場電磁波可以被安全地應用於無線充電系統。目前的一部分醫療器械便已經採用了這種技術，如助聽器就採用了這類技術。但它的弱點同樣明顯：它只能在短距離上傳輸能量，這樣你就必須讓充電設備緊貼皮膚才能進行充電，並且它也要求植入的醫療器械不能深度太大，而必須靠近體表皮膚以便進行無線充電。

而朴恩研究組所做的正是融合近場電磁波的安全性以及遠場電磁波的長距離傳播性優點。她利用了一個簡單的原理實現了這一目標——波在不同的介質中，如空氣，水體或生物體組織中的傳播速度是不同的。

比如，當你把耳朵貼在鐵軌上，你能更早地聽到火車正在接近的聲音。原因很簡單，因為聲波在金屬中的傳播速度要比在空氣中更快。

根據這一指導思路，朴恩的研究組設計了一種電源，其可以生一種特殊的近場電磁波。當這一電磁波從空氣向皮膚傳播的時候，它會改變自身狀態，以使其更利於傳播，就像聲波在鐵軌中的傳導一樣。

朴恩將這種新的技術稱作“中場無線傳輸”。

在PNAS的論文中論述的實驗裏，朴恩利用她研製的中場傳輸系統直接向一個微型植入式醫療器件進行無線充電。但同樣存在一種可能性是在植入式的醫療器件中潛入微型電池，隨后借助朴恩的系統為這些電池進行無線充電。但在今天的技術條件下還無法做到這樣。

朴恩實驗室的研究生Ho表示：“借助這項技術，我們可以安全地向體內植入的醫療器械傳輸電力，這些器械可能植入於心臟或腦部之中，這是現有的近場系統完全無能為力的。”(晨風)