能量採集技術開啟醫療應用新局

作者 : Emily Newton,Embedded.com特約作者

無論是用於治療疾病、加速癒合過程或是協助醫生追蹤病人的狀態,穿戴式和植入式醫療裝置變得越來越普遍了。如果可以透過能量採集的方式供電,使用者不需要經歷充電或更換電池的麻煩將會更有幫助...

多年來,醫療裝置取得了巨大的進步,拯救生命以及幫助人們控制疾病。然而,其主要缺點之一在於它所使用的電池需要更換或充電。如今,這種情況可能不會持續太久了,因為研究人員已經在能夠採集能量的裝置上取得了進展,為開發人員和需要這些產品的應用帶來了新的選擇。

無需更換心臟起搏器電池

數以百萬計的人依靠起搏器和其他植入式心臟裝置來保持心臟正常功能。然而,這些東西每十年或更早就需要更換電池。更換電池就需要再為患者動手術。除了與那些持續進行療程相關的費用之外,任何手術都還有併發症的風險。

美國達特茅斯大學(Dartmouth University)的研究人員希望利用心臟的能量為起搏器供電。如果這個想法實現了,就可以省去那些更換電池的例行手術。

研究團隊的目標是利用連接到心臟的起搏器導線的動能。他們使用了一種叫做聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物壓電薄膜,如果採用多孔結構設計,就可以將機械動作轉化為電能。2019年,研究人員已在開發和測試方面取得了長足的進展,當時認為該裝置距離商用還有五年時間。

1:美國研究人員開發了10美分硬幣大小的裝置,用於擷取心臟的動能並將其轉化為電能,為各種植入式裝置供電。(圖片來源:Dartmouth University

雖然這項研究尚未商用,但對於醫療裝置製造商和醫生來說,這一功能可能是一個極具吸引力的賣點,他們可以評估哪些產品最適合其病人需求。這一小巧的發明可以安裝在現有的心臟起搏器中,未來還可以進一步擴展以提供諸如即時監測等功能。

開發更多可在體內安全使用的裝置

設計植入式醫療裝置的長期挑戰之一,是找到一種足夠耐用的材料,可承受體內嚴酷多變的情況,而不至於引入有毒元素或其他併發症。

用於能量採集的壓電選項提供了決定整體電力輸出的各種因素。有些是內在的,如頻率常數壓電元件。外在因素,如動作的加速度和幅度也很重要。正如你可能想像的,當利用這種效果時,材料的選擇也至關重要。

許多用於壓電設計專案的材料都是自然產生的,如牙釉質、骨骼和晶體。然而,生物相容材料選擇的另一個障礙是它們往往太硬而無法順應人體表面。取決於用途的不同,醫療裝置更需要類似繃帶的柔韌性。

打造生物相容的壓電驅動晶片

生物工程師們最近開發的「壓電晶片」可以用來產生電刺激,以加速骨折和傷口癒合,並以維持肌肉張力來幫助中風患者。

2:壓電晶片(圖左)顯示離胺酸中間層的晶體結構。圖右晶片可彎曲以實現生物相容性並誘導離胺酸晶體產生電輸出。(圖片來源:University of Wisconsin-Madison

在這種情況下,一種名為離胺酸(lysine)的氨基酸可作為壓電發電機。由生物相容聚合物製成的外殼圍繞著離胺酸,而離胺酸和聚合物的化學相互作用使離胺酸進入晶體結構,並在彎曲時產生電流。研究人員認為,這項發明最終可望有助讓人們的自然動作加速傷口癒合過程。

這些裝置的另一項巨大優勢在於它們是可生物分解的材質。到目前為止,研究小組已經在齧齒動物的腿和胸部測試了該晶片。等到產品自然溶解後,他們在實驗室中進行了實驗,沒有證據顯示對齧齒動物有害。

如果像這樣的創新成為公眾可用的,醫療裝置製造商應該強烈考慮著重於生物分解方面的應用。有些病人對於在醫生的建議植入裝置戒慎恐懼,這是可以理解的。然而,如果他們知道這些玩意兒在使用後會壞掉,而且是無毒的材料,應該會更坦然地接受這個想法。

創建低調的穿戴醫療裝置

截至目前為止,本文提及的裝置都是植入人體內部的。外在可見的產品還需要特別的考慮,以使其更有利於銷售。舒適是鼓勵使用者採用並增加其正常生活的機會之必要條件。

當目標是擷取在醫療約診中可能並不明顯的細節時,這一點格外重要。例如,芬蘭研究人員設計了一款嬰兒連身服,可追蹤寶寶的動作和監測發展。在此情況下,關鍵是這種穿戴裝置不能引發嬰兒的不適或煩躁。

對許多成年人來說,自我意識是一個問題。優先考慮易於隱藏或在大學、工作或其他公共場所使用時不會讓人感到尷尬的穿戴醫療裝置,這一點至關重要。

為此,工程師開發了另一種新的能量採集裝置,能夠讓人們戴在棒球帽下。這種毛囊刺激裝置能觸發休眠結構的再生,其途徑是使用奈米發電機,在傳輸低頻電脈衝至頭皮之前,被動地從佩戴者的正常動作中採集能量。

3:研究人員在棒球帽中嵌入了透過奈米發電機發電的毛囊刺激裝置。(圖片來源:University of Wisconsin-Madison

在無毛老鼠身上進行的實驗室測試顯示,這種裝置的效果與治療脫髮藥物中的兩種化合物一樣好。然而,它並不像那些產品一樣會引發令人不悅的副作用,如抑鬱和性功能障礙等。

讓穿戴醫療追蹤器更方便

越來越多的醫療機構更常使用連網的穿戴式醫療裝置,追蹤病人的心率到血糖級等各種資訊。這些產品是人們可以連續穿戴而不至於發生問題的理想產品。在現實中,大多數電池都需要定期充電,但北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)的一支研究團隊透過一種從人體熱量獲取能量的裝置克服這一障礙。這項發明是一種軟性的熱電發電機(TEG)。之前大多數致力旗於製造可彎曲TEG的研究計劃都沒能達到剛性元件的性能。然而,研究人員對設計進行了調整,取得了令人印象深刻的結果。

他們一開始在2017年取得了TEG概念驗證(PoC)。然而,工程師表示,2020年發佈的升級類型更接近於剛性裝置提供的效率。其中一種成分是EGaIn,這是一種鎵和銦的無毒合金,具有類似於金屬的延展性和導電性。

參與這項專案並合著研究論文的Mehmet Ozturk解釋說:「這裡的關鍵在於使用高導熱矽酮彈性體摻雜石墨烯薄片和EGaIn。彈性體提供了抗穿刺的機械堅固性,同時提高了裝置的性能。使用這種彈性體,讓我們得以將熱導率(傳熱速率)提高6倍,從而提升了橫向熱傳播。」

4:可撓式熱電採集器在軟性封裝中實現剛性裝置的材料品質;裝置中的液態金屬還能提供自我修復的能力。(圖片來源:NC State University

能量採集開啟更多可能性

無論是用於治療疾病、加速癒合過程或是協助醫生追蹤病人的狀態,穿戴式和植入式醫療裝置變得越來越普遍了。如果使用者不需要經歷充電或更換電池的麻煩,這些產品還更有幫助。

除了醫療裝置應用,美國無線電源新創公司Powercast執行長Charlie Goetz認為,物聯網(IoT)、智慧駕駛輔助系統(ADAS)與智慧城市(Smart City)也是與AI有關的主要領域,可望從無線電源的實施與採用中獲取最大效益。

任何需要感測資訊以進行預防性維護和關鍵性停工的工業環境都能從無線供電受益。例如,在一處製造設施中可能有某些難以進入或危險的區域。正因為如此,某些感測器(其電池)無法更換。在此情況下,透過無線電源充電的感測器可以達到一勞永逸的效果(表示您不需要更換感測器的電池)。這反過來又能不間斷地將資訊饋入AI中。

自動駕駛車也大幅得利於無線電源。如同現今,自動駕駛車將聲納、雷達與形狀辨識結合於其駕駛環境。為了讓自動駕駛變得更安全且可靠,需要透過環境中的感測器來感測環境,並與周圍的道路進行通訊:路燈柱、黃色的道路標線等。更重要的是,透過無線供電的感測器,汽車可以在環境中進行通訊功能,而不會撞到連接線,從而使其更加安全與可靠。

更進一步來看,實現智慧醫療與智慧城市也不能再充斥著電池與電線,而是AI與無線電源。為了實現與遠端醫療裝置的通訊以及智慧城市與環境之間的通訊,都需要實施無線供電與充電。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Novel energy harvesting tech could reshape medical devices,by Emily Newton)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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