導讀
近日，美國麻省理工學院、哈佛醫學院、佈列根和婦女醫院的科學家們開發出一種為人體深處的植入式醫療設備供電並與之通信的新系統，他們稱之為“體內聯網”（IVN）。
背景
傳統醫療設備，一般都是笨重而且昂貴的，需要放置在醫院實驗室中，只有專門技術人員才能操作。然而，隨著半導體、無線通信、物聯網、新材料等技術不斷髮展，創新型醫療設備不斷出現，並呈現出便攜、輕量、靈巧、小型、生物相容、生態友好等新特點。
其中，可植入和可攝取的醫療設備能在人體內運行，為疾病的診斷、監測、治療帶來了新方法，例如它們可用於給藥、監測生命體徵、檢測胃腸道運動、通過電刺激或光刺激治療腦部疾病等等。
然而，可植入和可攝取的醫療設備往往都需要在人體內長時間駐留和運作，因此持續、安全、穩定的能量供應對於它們來說顯得非常重要。
拿心臟起搏器來說，它採用的是傳統電池，所以其電量終有耗盡的時候，一般大約5到10年就需要更換一次電池。但是，更換體內的電池並不容易，需要再進行一次手術，對於患者來說這又將是一次的痛苦體驗，甚至會增加感染的風險。此外，電池也可能會含有有毒物質，萬一發生洩漏，會影響患者身體健康。還有，電池的存在無疑會佔據一定空間，增加醫療電子設備的尺寸，影響它們的設計和性能。
針對上述問題，科學家們開展了許多研究。讓我們先來回顧一下採用新型電池供電的兩個案例：
1）瑞士伯爾尼大學醫院和伯爾尼大學的研究人員發現採用位於皮膚下的小型太陽能電池，從冬季到夏季，都可以為心臟起搏器供給足夠的能量。
2）美國麻省理工學院和佈列根和婦女醫院的研究人員設計出一種由胃酸提供能量的微型伏打電池，它能產生足夠多的能量為小型傳感器或給藥設備供電，使其在胃腸道駐留更長時間。
然而，我們不禁還會想，既然用電池為體內醫療設備供電有這麼多缺點，那麼有徹底擺脫電池的供電方案嗎？答案是：有。下面，讓我們再來看幾個經典的研究案例：
1）美國麻省理工學院、佈列根和婦女醫院、查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室的科研人員通過無線能量傳輸的方式，為消化道內的可攝取的醫療電子設備供電。
2）美國加州大學洛杉磯分校和康涅狄格大學的科研人員合作開發一種新型系統，它可以為心臟起搏器等植入式醫療設備供電。該系統主要由兩部分組成：能量存儲（生物超級電容）和能量採集（採集人體熱量和運動能量的設備）。
（圖片來源：Islam Mosa/康涅狄格大學 、Maher El-Kady/加州大學洛杉磯分校）
3）美國加州大學聖地亞哥分校的工程師們開發出一種由超聲波供電的微型機器人，它可以在血液中游動，去除有害的細菌及其產生的毒素。
（圖片來源：Esteban-Fernández de Ávila/Science Robotics）
創新
在眾多無需電池的供電方案中，今天讓我們重點關注一下用過體外天線發射無線電波的供電方式。然而，這種方式的主要障礙在於：無線電波通過人體時會顯著衰減，以至於弱到無法提供足夠的電力。
為了克服這一障礙，近日美國麻省理工學院（MIT）、哈佛醫學院（HMS）、佈列根和婦女醫院（BWH）的科學家們開發出一種為人體深處的植入式醫療設備供電並與之通信的新系統，他們稱之為“體內聯網”（IVN）系統。
相關論文將在美國計算機協會數據通信專業組(SIGCOMM)8月份召開的年度旗艦會議上發表。論文作者包括：MIT 媒體實驗室助理教授 Fadel Adib、佈列根和婦女醫院和哈佛醫學院的助理教授以及MIT科赫綜合癌症研究所 （Koch Institute for Integrative Cancer Research）研究員 Giovanni Traverso、MIT 媒體實驗室博士後 Yunfei Ma、MIT 媒體實驗室研究生 Zhihong Luo、MIT 科赫綜合癌症研究所的博士後研究員 Christoph Steiger。
技術
這些無線電波可以安全地穿過人體組織，為植入式醫療設備供電。在針對豬的測試中，這種無線電波可以在1米以外的距離，為組織中10釐米深處的設備供電。如果傳感器非常接近皮膚表面，那麼在38米以外的地方就可以為它們供電。
因為無需電池，所以這些設備可以做得非常小。在這項研究中，研究人員測試了一粒米大小的原型設備，但是他們預計設備還可以做得更小。
“體內聯網”（IVN）的系統是一種含有多個天線的設計，這些天線會發出頻率稍有差異的無線電波。在無線電波傳輸的過程中，它們以不同的方式相互疊加並結合。在某些時候，這些波的頂點相互重疊，從而可以提供足夠多的能量為植入式傳感器供電。
Adib 表示：“我們選擇相互之間稍有差異的頻率，這樣一來，我們知道在某些時間點，它們將同時達到頂點。當同時達到它們的頂點時，它們能夠超過為這些設備供電所需的能量閾值。”
這項技術利用複雜的信號生成技術，使得信號可以在傳感器中建設性地相互結合，激發這些傳感器，為它們供電並與之通信。有了新系統，研究人員不用知道傳感器在身體中的確切位置，因為能量可以大範圍地傳播。這也意味著，它們可以一次為多個設備供電。在傳感器接收能量脈衝的同時，它們也會接收到一個告訴它們將信息發回天線的信號。研究人員稱，這個信號也可以用於刺激釋放藥物、電流脈衝、光脈衝。
價值
IVN 技術的應用包括：放置在智能藥丸中控制給藥，治療瘧疾或阿爾茨海默病；測量器官和組織的健康狀況，例如壓力、葡萄糖、腸道微生物群，並將相關數據發送出來；集成到腦深部刺激器中，治療帕金森病或癲癇。
（圖片來源：麻省理工學院媒體實驗室）
（圖片來源：Fadel Adib, Diana Saville）
（圖片來源：Fadel Adib, Diana Saville）
目前，科研團隊正在研究讓電力傳輸變得更加高效且距離更遠。研究人員稱，這項技術也有望改善其他領域中的RFID應用，這些領域包括：庫存控制、零售分析、智能環境。未來，它將帶來更遠距離的追蹤與通信。
關鍵字
可植入設備、可攝取設備、醫療電子、無線通信、供電
【1】http://news.mit.edu/2018/wireless-system-power-devices-inside-body-0604
【2】http://www.mit.edu/~fadel/papers/IVN-paper.pdf
【3】https://www.media.mit.edu/projects/ivn-in-vivo-networking/overview/
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