MIT-onderzoekers, werken met wetenschappers van Brigham en Women's Hospital, hebben een nieuwe manier ontwikkeld om apparaten van stroom te voorzien en te communiceren met apparaten die diep in het menselijk lichaam zijn geïmplanteerd. Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt om medicijnen af ​​te geven, controleer de omstandigheden in het lichaam, of ziekte behandelen door de hersenen te stimuleren met elektriciteit of licht.

De implantaten worden aangedreven door radiofrequentiegolven, die veilig door menselijke weefsels kunnen gaan. Bij dierproeven, de onderzoekers toonden aan dat de golven apparaten kunnen aandrijven die zich 10 centimeter diep in weefsel bevinden, op een afstand van 1 meter.

"Ook al hebben deze kleine implanteerbare apparaten geen batterijen, we kunnen nu op afstand buiten het lichaam met hen communiceren. Dit opent geheel nieuwe soorten medische toepassingen, " zegt Fadel Adib, een assistent-professor in MIT's Media Lab en een senior auteur van het papier, die zal worden gepresenteerd op de Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) conferentie in augustus.

Omdat ze geen batterij nodig hebben, de apparaten kunnen klein zijn. In dit onderzoek, de onderzoekers testten een prototype ter grootte van een rijstkorrel, maar ze verwachten dat het nog kleiner kan worden gemaakt.

"De capaciteit hebben om met deze systemen te communiceren zonder dat er een batterij nodig is, zou een aanzienlijke vooruitgang zijn. Deze apparaten kunnen compatibel zijn met detectieomstandigheden en helpen bij de afgifte van een medicijn, " zegt Giovanni Traverso, een assistent-professor aan het Brigham and Women's Hospital (BWH), Harvard Medical School, een onderzoeksfiliaal bij MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, en een auteur van het artikel.

Andere auteurs van het artikel zijn Media Lab postdoc Yunfei Ma, Media Lab afgestudeerde student Zhihong Luo, en Koch Institute en aan BWH gelieerde postdoc Christoph Steiger.

Draadloze communicatie

Medische hulpmiddelen die kunnen worden ingenomen of in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd, kunnen artsen nieuwe manieren bieden om diagnoses te stellen, toezicht houden op, en behandel vele ziekten. Het laboratorium van Traverso werkt nu aan een verscheidenheid aan opneembare systemen die kunnen worden gebruikt om medicijnen af ​​te leveren, vitale functies bewaken, en beweging van het maagdarmkanaal detecteren.

In de hersenen, implanteerbare elektroden die een elektrische stroom leveren, worden gebruikt voor een techniek die bekend staat als diepe hersenstimulatie, die vaak wordt gebruikt om de ziekte van Parkinson of epilepsie te behandelen. Deze elektroden worden nu aangestuurd door een pacemakerachtig apparaat dat onder de huid wordt geïmplanteerd. die zou kunnen worden geëlimineerd als draadloze stroom wordt gebruikt. Draadloze hersenimplantaten kunnen ook helpen licht te leveren om neuronactiviteit te stimuleren of te remmen via optogenetica, die tot nu toe niet is aangepast voor gebruik bij mensen, maar nuttig zou kunnen zijn voor de behandeling van veel neurologische aandoeningen.

Momenteel, implanteerbare medische hulpmiddelen, zoals pacemakers, dragen hun eigen batterijen, die de meeste ruimte op het apparaat innemen en een beperkte levensduur hebben. Adib, die zich veel kleiner voorstelt, batterijloze apparaten, heeft de mogelijkheid onderzocht om implanteerbare apparaten draadloos van stroom te voorzien met radiogolven die worden uitgezonden door antennes buiten het lichaam.

Tot nu, dit was moeilijk te bereiken omdat radiogolven de neiging hebben om te verdwijnen als ze door het lichaam gaan, zodat ze uiteindelijk te zwak zijn om voldoende stroom te leveren. Om dat te overwinnen, de onderzoekers bedachten een systeem dat ze 'In Vivo Networking' (IVN) noemen. Dit systeem is gebaseerd op een reeks antennes die radiogolven van enigszins verschillende frequenties uitzenden. Terwijl de radiogolven reizen, ze overlappen en combineren op verschillende manieren. Op bepaalde punten, waar de hoge punten van de golven elkaar overlappen, ze kunnen voldoende energie leveren om een ​​geïmplanteerde sensor van stroom te voorzien.

"We hebben gekozen voor frequenties die net iets van elkaar verschillen, en daarbij, we weten dat deze op een bepaald moment tegelijkertijd hun hoogtepunt zullen bereiken. Wanneer ze tegelijkertijd hun hoogtepunt bereiken, ze zijn in staat om de energiedrempel te overschrijden die nodig is om het apparaat van stroom te voorzien, ' zegt Adib.

Met het nieuwe systeem, de onderzoekers hoeven de exacte locatie van de sensoren in het lichaam niet te weten, omdat het vermogen over een groot gebied wordt overgedragen. Dit betekent ook dat ze meerdere apparaten tegelijk van stroom kunnen voorzien. Op hetzelfde moment dat de sensoren een stroomstoot krijgen, ze ontvangen ook een signaal dat hen vertelt informatie terug te sturen naar de antenne. Dit signaal kan ook worden gebruikt om de afgifte van een medicijn te stimuleren, een stroomstoot, of een lichtflits, zeggen de onderzoekers.

Vermogen over lange afstand

Bij proeven bij varkens de onderzoekers toonden aan dat ze stroom tot een meter buiten het lichaam konden sturen, naar een sensor die 10 centimeter diep in het lichaam zat. Als de sensoren zich zeer dicht bij het huidoppervlak bevinden, ze kunnen van stroom worden voorzien tot op 38 meter afstand.

"Er is momenteel een afweging tussen hoe diep je kunt gaan en hoe ver je buiten het lichaam kunt gaan, ' zegt Adib.

De onderzoekers zijn nu bezig om de vermogensafgifte efficiënter te maken en over grotere afstanden over te dragen. Deze technologie heeft ook het potentieel om RFID-toepassingen op andere gebieden te verbeteren, zoals voorraadbeheer, detailhandel analyses, en "slimme" omgevingen, waardoor objecttracking en communicatie over langere afstanden mogelijk is, zeggen de onderzoekers.