結合雙重物理效應 神經刺激器實現植入式能量傳遞

作者 : Bill Schweber,EDN

工程師習慣處理各種「效應」,其中有些是眾所周知的,有的則鮮為人知。例如眾所周知的壓電效應(piezoelectric effect)和集膚效應(skin effect),而鮮為人知的像是康達效應(Coanda effect)。無論是哪一種效應,這些基於物理學的現象通常是設計感測器、特殊材料和一些獨特功能等的理論基礎…

工程師習慣處理各種「效應」,其中有些是眾所周知的,有的則鮮為人知。例如眾所周知的壓電效應(piezoelectric effect)和集膚效應(skin effect),而鮮為人知的像是康達效應(Coanda effect)。無論是哪一種效應,這些基於物理學的現象通常是設計感測器、特殊材料和一些獨特功能等的理論基礎。

最近,美國萊斯大學(Rice University)的一支研究團隊製作並測試了第一台由外部磁場驅動的能量採集和轉換裝置。它並不至於受到人體組織影響而產生較大衰減,在使用射頻(RF)、超音波、光甚至電磁線圈時還可避免發生人體吸收的問題,以及在空氣、骨骼和組織間交界處出現阻抗差異。

研究人員利用這種能量來驅動神經刺激器,以產生不同的波形和模式;這種刺激已經被用於治療帕金森氏症、憂鬱症、疼痛和強迫症等症狀。

該能量傳遞裝置實際上利用了兩種不相關的物理現象:磁致伸縮效應(磁性材料的一種特性,在磁化過程中形狀或尺寸發生改變)和壓電效應,可以將磁場轉換為電場和電壓。

該研究小組採用了一種材料,透過薄膜中磁致伸縮層和壓電層之間的機械耦合以產生電壓,而非透過植入線圈產生電壓。變化的外部磁場在磁致伸縮層中產生應力,繼而作用在壓電層上以產生電壓。組合的磁電子(magneto-electronics,ME)元件可由大約幾毫特斯拉(mT)的弱磁場驅動,如圖1所示。

圖1 (a)使用磁致伸縮元件對自由活動的小鼠進行無線神經刺激;(b)共振響應曲線顯示,當磁場頻率在171kHz與聲學共振匹配時,會產生最大電壓;(c)使用永磁體的元件測試裝置會產生偏置場,電磁線圈則會產生交變磁場。(圖片來源:Rice University)

為了提高能量傳遞效率,研究人員還使用永磁體或電磁體來產生恆定偏置場。由於磁致伸縮材料中的應力是磁場強度的S形函數,因此當磁場在S形的中點附近振盪時,交變磁場產生的電壓變化最大(圖2)。

圖2 磁致伸縮薄膜的輸出電壓與偏置場的關係。適度的磁偏置場會顯著增加最大共振電壓。(圖片來源:Rice University)

研究人員已將電源和刺激器一起植入囓齒動物的大腦中,用於引發各種類型的神經刺激以對其進行測試。整個單元——電源子系統和神經刺激器——比一顆米粒還要小,必須完全客製。在《神經元》(Neuron)期刊上有一篇內容詳細值得一讀的論文——「磁電材料用於治療頻率實現微型無線神經刺激」(Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies),生動地解釋了替代性能量傳遞技術帶來的挑戰。

但這究竟是能量傳遞還是能量採集?由於外部磁場並非「自然存在」,不能就地使用,所以我不確定它算不算真正的能量採集。而從另一個角度來看,它當然具有能量採集的某些屬性,至少在概念上如此。我們姑且把它稱做能量傳遞與能量採集的一種結合吧!

你是否曾使用過一種可以視為能量採集的方案,但實際上更像是一種獨特的能量傳遞技術?你當時必須面對並且實際解決了哪些問題?

(參考原文:Neural stimulator device combines two effects for implantable energy transfer,by Bill Schwebe)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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