Energetski sistemi in napajanje dinamičnih medicinskih vsadkov

23.02.2018

Napajanje dinamičnih implantabilnih medicinskih vsadkov oziroma angleško Implantable Medical Devices (IMD) in zagotavljanje njihove stabilne energetske preskrbe sta v svetu še vedno zelo aktualna problema, kljub številnim novim tehnologijam in mnogim drugačnim rešitvam. V zadnjih nekaj letih pa se obetajo povsem nove tehnološke rešitve, ki so povezane z novimi materiali in mikro ter nanotehnologijo in tudi novimi pristopi reševanja težav električnega napajanja IMD.

Velik napredek je viden tudi na področju biomaterialov, ki omogočajo miniaturizacijo senzorjev in kompatibilnost naprav, ki jih je mogoče in vivo vgraditi v človeško telo. Te naprave imajo različne funkcije, od funkcij bioloških preiskav, diagnosticiranja do zdravljenja. Danes so številne kronične bolezni obravnavane z IMD po vsem človeškem telesu, od možganov, slušnega in vidnega sistema, srca, pljuč, želodca, požiralnika, kolenskih sklepov, do mehurja in drugih organov. Doslej so bili največji izzivi za omejitve velikost IMD, potrošnja električne energije in težka dostopnost za zamenjavo ali dopolnitev obstoječe baterije. V preteklosti so se za napajanje IMD uporabljali predvsem litij-ionski akumulatorji. Njihova življenjska doba se je gibala nekje od 5 do 10 let. Kot potencialni viri so bile biološke gorivne celice za pridobivanje električne energije iz obnovljivih biološko razgradljivih materialov, kot je na primer glukoza.

Pogled v notranjost dinamičnih medicinskih vsadkov

Celice, ki temeljijo na encimih, lahko sicer delujejo v blagih pogojih in ustvarjajo male moči, nekaj milivatov, ter lahko napajajo srčne spodbujevalnike ali srčne defibrilatorje in sisteme za dostavo zdravil. V preteklosti so se neko obdobje za napajanje IMD uporabljale tudi tipske jedrske baterije, katerih delovanje je temeljilo na preneseni energiji, ki jo oddajajo delci radioaktivnih izotopov. Ker se električna potrošnja z miniaturizacijo IMD znižuje, se iščejo tudi alternativne oblike napajanja, z elektrostatičnimi in elektrodinamičnimi generatorji in tudi z generatorji s termoelektričnim učinkom pridobivanja električne energije. V človeškem telesu namreč obstajajo potencialne temperaturne razlike med različnimi deli telesa, ki tvorijo temperaturne gradiente. Ker je človeško telo neomejen vir toplotne energije, je življenjska doba teh generatorjev (kljub relativno majhnim izkoristkom) tudi naravno neomejena.

Kot dobra alternativa ustvarjanju električne energije za IMD se je pokazala tudi s piezoelektričnimi generatorji, ki jih razvrščajo v dve kategoriji, ena za neprekinjene gibe, ki jih ustvarja dihanje, pretok krvi ali utripanje srca, in druga kategorija, kjer se mehanska energija preko piezogeneratorja generira s hojo ali gibanjem rok. Kot odlična rešitev pa se v zadnjem času predstavlja rešitev z nanopiezo generatorji. Zelo aktualni so danes tudi sistemi z zunanjimi enotami za neprekinjen prenos energije, saj gre za vedno večje potrebe po komunikaciji med IMD-ji in pametnimi napravami. Električna energija se lahko pošilja skozi tkiva optično, mehanično in elektromagnetno ter ultrazvočno.

Za ultrazvočno tehnologijo je v zadnjih letih večji interes, predvsem zaradi prednosti v primerjavi z drugimi tehnologijami glede učinkovitosti in odpornosti proti elektromagnetnemu sevanju iz drugih naprav. Ultrazvočni pretvornik je namreč mehansko vzbujan z zunanjim ultrazvočnim virom z uporabo ultrazvočnega pretvornika, ki lahko deluje s kapacitivnim ali piezoelektričnim načinom. Ultrazvočni sistem se lahko danes izdela tudi z MEMS tehnologijami.

Tipični dinamični vsadek vstavljen v zaščitno antimikrobmo prevleko pogled na razstavljen dinamični vsadek ICD

Zagotovo pa prihajajo časi velikih tehnoloških sprememb, ki bodo povezani z e-zdravjem v povezavi z internetom stvari (IoT), tu bodo ključne seveda nove komponente z izjemno občutljivimi biosenzorji in nanobiosenzorji, nizkoenergetskimi integriranimi vezji z ekstremno zanesljivo brezžično komunikacijo ter z energetsko učinkovitimi in zanesljivimi viri. Vrsto teh sistemov bo integriranih tudi v bioničnega človeka, ki je bil letos predstavljen na Stičišču znanosti in gospodarstva in v okviru programa sejma Feel the future in ne bo služil le za izobraževalne namene inženirjev bionike, temveč tudi za razvoj in uporabo naštetih tehnologij.

Janez Škrlec, avtor članka