Энергообеспечение имплантируемых медицинских приборов – без проводов
В НИУ «Московский институт электронной техники» (МИЭТ) прошли эксперименты, в ходе которых изучался уникальный способ беспроводного энергообеспечения имплантируемых медицинских приборов, который станет решением проблем зарядки имплантируемых устройств, сообщает пресс-служба университета. Речь идет об устройствах, которые потребляют от 100 милливатт до 10 ватт, — это устройства для возобновления полностью утраченного слуха (в частности, у детей), стимуляторах спинного мозга, которые обычно имплантируются сравнительно молодым людям, носимых аппаратах искусственного кровообращения и т. д. Сейчас подзарядка таких имплантатов чаще всего осуществляется через кабель, вшитый в тело пациента.
О том, существуют ли уже работающие аналоги систем беспроводного энергообеспечения персонифицированных имплантируемых медицинских приборов, «Стимулу» рассказал начальник лаборатории беспроводных биомедицинских интерфейсов НИУ МИЭТ, кандидат физико-математических наук Арсений Данилов: «Индуктивная связь применяется для питания кохлеарных имплантатов и стимуляторов спинного мозга с 1980-х годов. В то же время до сих пор нет серийных систем вспомогательного кровообращения с беспроводным питанием, а это очень важное направление, поскольку инфицирование по чрескожным кабелям — смертельно опасное осложнение. Основная причина того, что таких систем не существует, — недостаточная стабильность созданных ранее экспериментальных устройств. И мы фокусируемся на повышении именно стабильности как раз для того, чтобы сделать возможным беспроводное питание систем вспомогательного кровообращения. Персонифицированных индуктивных систем в мире нет — это наша оригинальная идея. И она должна помочь повысить как стабильность, так и эффективность передачи энергии».
Современные имплантируемые медицинские приборы способны замещать важнейшие функции человеческого организма. Они могут использоваться для поддержки или полной замены функции сердца, помощи людям с полной потерей слуха, для лечения синдрома хронической боли и решения многих других важнейших задач. В зависимости от типа устройства для его работы требуется либо передача энергии от внешнего источника питания при помощи проводов, проходящих через кожу, либо имплантация химической батареи внутрь тела пациента. Оба подхода сопряжены с существенными недостатками: в первом случае существует риск возникновения смертельно опасных инфекций, во втором появляется необходимость повторных имплантаций с целью замены батареи. Разрабатываемая институтом «Биомедицинские системы» (БМС) Национального исследовательского университета МИЭТ адаптивная система беспроводного энергообеспечения станет решением этой проблемы.
Прежде всего польза изобретения будет ощутима для приборов, которые работают в организме десятки лет. Применение химических батареек в таких случаях невозможно — они долго не прослужат: им будут требоваться многочисленные замены, каждая из которых грозит осложнениями и увеличением стоимости лечения. Не считая цены на сам прибор, любая операция — это оплата работы хирурга и хирургической команды.
«Используя режим беспроводного питания, мы можем как минимум уменьшить число повторных операций, а в идеале вообще отказаться от них, — говорит Арсений Данилов. — Согласно результатам исследования, проведенного в Великобритании, на поддержание работы стимулятора спинного мозга уходит в среднем 300–400 тысяч долларов за двадцать лет использования одним пациентом. Применение нашего устройства беспроводного питания позволит за этот же период сэкономить порядка 100–150 тысяч долларов. При оценке интенсивности использования 100 приборов на миллион человек населения экономия может составлять до 15 миллионов долларов, это существенный плюс для кошелька пациента и экономики в целом.
Это будет сравнительно небольшое носимое устройство в виде эластичного пояса на теле, в котором закреплен передатчик с катушкой индуктивности. Самостоятельно заряжать придется только внешние аккумуляторы. Для надежности устройство будет комплектоваться парой батарей: одна стоит на зарядке, другая работает. В современной медицине прибор такого типа называется «забываемый»: пациенту не нужно постоянно участвовать в его работе, аккумуляторы без подзарядки смогут обеспечивать питание имплантата до 12–14 часов.
Чтобы понять, что такое индуктивная связь, вспомним, как работает электрическая зубная щетка: принимающая катушка индуктивности находится в основании щетки, а передающая — в зарядной станции, на которую эта щетка устанавливается. После установки щетки на зарядную станцию начинается передача электрической энергии. Другой пример — беспроводная зарядка телефонов. Физически работа нового изобретения схожа с подобными зарядками, но, поскольку речь идет о глобальной медицине, уже готовые решения тут не подошли, так как нет гарантии их безопасности, надежности и безвредности для человека.
В случае зарядки телефона мы кладем его на некую подставку и видим, как он (его принимающая катушка) расположен по отношению к зарядке (его передающей катушке). Когда похожая система имплантируется под кожу человека, мы ее либо вообще не видим, либо видим плохо. Но еще большая проблема заключается в том, что невозможно закрепить внешнюю катушку на коже человека, не причиняя ему при этом существенного дискомфорта. Соответственно, существует большой риск смещений имплантируемой и внешней катушек индуктивности относительно друг друга, и это сказывается на эффективности работы устройства. Значительная часть энергии уходит в пустоту: катушки теряют связь, а имплантат — энергию.
Застраховать пациента от этой неприятности помогла геометрия. Большинство зарубежных разработчиков аналогичных устройств подходят к решению этой проблемы, подстраивая частоты. В МИЭТе же выбрали геометрический принцип, в котором основной фокус направлен на оптимизацию формы катушек индуктивности.
«Мы просчитываем, на каком расстоянии друг от друга должны находиться между собой катушки и какой они должны быть формы, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории беспроводных биомедицинских интерфейсов кафедры БМС НИУ МИЭТ кандидат технических наук Эдуард Миндубаев. — Каркасы для катушек мы изготавливаем на 3D-принтере и предполагаем, что в будущем сможем делать это с учетом физиологических особенностей каждого пациента».
Расстояние между катушками определяет эффективность передачи энергии, а зависит оно от множества факторов, например от толщины подкожного жирового слоя. «Наш метод позволяет проектировать персонализированные катушки. Исходя из оценки толщины жирового слоя пациента и с учетом влияния на положение катушек его двигательной активности мы подстраиваем геометрические параметры катушек. Вся остальная электроника в системе является универсальной и не меняется. В перспективе мы сможем серийно поставлять имплантированные блоки (они не меняются), а катушки будем делать с учетом особенностей пациентов. Конечно, это не исключает и стандартного набора катушек для людей со средними параметрами тела, при этом в нестандартных случаях проблему персонализации заряжающих катушек можно решить с помощью дополнительных расчетов», — говорит Эдуард Миндубаев.
Эффективность своего геометрического метода ученые МИЭТ неоднократно доказали экспериментально на макете взаимного позиционирования передатчика и приемника, имитирующего работу с имплантатом. «В ходе экспериментов мы воспроизводим возможное смещение передатчика и приемника, которое будет возникать в процессе эксплуатации устройства, и исключаем вероятность выхода устройства из строя, — поясняет Эдуард Миндубаев. – Мы оцениваем предельные значения смещений передатчика и приемника: когда они отдаляются друг от друга, наклоняются, уходят в сторону. По этим параметрам делаем вывод, удается ли поддержать выходные характеристики и эффективность устройства на требуемом уровне. На аппаратах вспомогательного искусственного кровообращения, например, мы продольно удаляли катушки друг от друга на расстояние порядка 10–25 миллиметров».
Устройство будет работать на радиочастотах порядка 1 МГц, что не идет ни в какое сравнение даже с воздействием сотового телефона. Проблему с помехозащищенностью, которая обострилась с развитием устройств зарядки для телефонов и электромобилей, ученые МИЭТа тоже учитывают, и это еще одна причина того, что разработчики отказались от принципа подстройки частоты: случайно «подцепленный» заряд телефона или электромобиля может вызвать перегрев и поломку устройства. «Если стабильность обеспечивается формой катушек, то мы можем заранее подобрать такую частоту, которая будет на достаточном удалении от других схожих устройств, что полностью исключает конфликт как с другими медицинскими, так и с бытовыми приборами», — поясняет Арсений Данилов.
Что же касается возможности безопасно проводить современные медицинские исследования, то противопоказания стандартны для большинства имплантируемых приборов: УЗИ, рентген и компьютерная томография разрешены, по остальным рекомендации будут описаны в инструкции.
Россия в области медицинской техники в последние десятилетия активно догоняет развитые западные страны и при этом имеет достаточно неплохие темпы роста. Но объемы использования пока невелики. Иными словами, в Китае или США имплантируется порядка 500–800 кардиостимуляторов на миллион человек, а у нас порядка 100. Можно ожидать, что в ближайшей перспективе рынок имплантируемых медицинских приборов вырастет в несколько раз: новые производства будут востребованы, так как даже западные партнеры не имеют резервов и производственных мощностей, чтобы закрывать этот миллионный прирост. Так, при том что только кохлеарных имплантатов устанавливается порядка 50–60 тыс. в год, потребность в них оценивается в 140 тыс. устройств ежегодно. Естественно, сейчас российским компаниям выгодно заняться этим вопросом: в перспективе трех–пяти лет они могут многократно увеличить объемы продаж. «Пусть мы и привыкли к тому, что технологичные западные производства нас обгоняют, но порядка 50 процентов кардиостимуляторов в России — российского производства. Есть конкурентоспособные предприятия, которые расширяют линейку производимых изделий, и они будут заинтересованы увеличить продажи за счет принципиально новых устройств с новыми решениями, в частности с теми, которые сегодня предлагает МИЭТ», — говорит Арсений Данилов.
Клинические испытания системы беспроводного энергообеспечения персонифицированных имплантируемых медицинских приборов МИЭТ ожидаются к 2020 году.