MIT forskare, som arbetar med forskare från Brigham och Women's Hospital, har utvecklat ett nytt sätt att driva och kommunicera med enheter implanterade djupt i människokroppen. Sådana anordningar kan användas för att leverera droger, övervaka förhållandena inuti kroppen, eller behandla sjukdomar genom att stimulera hjärnan med elektricitet eller ljus.

Implantaten drivs av radiofrekvensvågor, som säkert kan passera genom mänskliga vävnader. Vid försök på djur, forskarna visade att vågorna kan driva enheter som ligger 10 centimeter djupa i vävnaden, från ett avstånd av 1 meter.

"Även om dessa små implanterbara enheter inte har några batterier, vi kan nu kommunicera med dem på avstånd utanför kroppen. Detta öppnar upp för helt nya typer av medicinska tillämpningar, "säger Fadel Adib, en biträdande professor i MIT:s Media Lab och en senior författare av tidningen, som kommer att presenteras vid Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) i augusti.

Eftersom de inte kräver ett batteri, enheterna kan vara små. I den här studien, forskarna testade en prototyp om storleken på ett riskorn, men de räknar med att den skulle kunna göras ännu mindre.

"Att ha kapacitet att kommunicera med dessa system utan behov av ett batteri skulle vara ett betydande framsteg. Dessa enheter kan vara kompatibla med avkänningsförhållanden samt hjälpa till vid leverans av ett läkemedel, " säger Giovanni Traverso, en biträdande professor vid Brigham and Women's Hospital (BWH), Harvard Medical School, en forskningsfilial vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research, och en författare till tidningen.

Andra författare till uppsatsen är Media Lab postdoc Yunfei Ma, Media Lab doktorand Zhihong Luo, och Koch Institute och BWH affiliate postdoc Christoph Steiger.

Trådlös kommunikation

Medicinsk utrustning som kan intas eller implanteras i kroppen kan erbjuda läkare nya sätt att diagnostisera, övervaka, och behandla många sjukdomar. Traversos labb arbetar nu med en mängd olika intagbara system som kan användas för att leverera droger, övervaka vitala tecken, och upptäcka rörelse i mag-tarmkanalen.

I hjärnan, implanterbara elektroder som levererar en elektrisk ström används för en teknik som kallas djup hjärnstimulering, som ofta används för att behandla Parkinsons sjukdom eller epilepsi. Dessa elektroder styrs nu av en pacemakerliknande enhet implanterad under huden, som skulle kunna elimineras om trådlös ström används. Trådlösa hjärnimplantat kan också hjälpa till att leverera ljus för att stimulera eller hämma neuronaktivitet genom optogenetik, som hittills inte har anpassats för användning på människor men kan vara användbar för att behandla många neurologiska störningar.

För närvarande, implanterbar medicinsk utrustning, såsom pacemakers, bära sina egna batterier, som upptar det mesta av utrymmet på enheten och erbjuder en begränsad livslängd. Adib, som tänker sig mycket mindre, batterifria enheter, har undersökt möjligheten att trådlöst driva implanterbara enheter med radiovågor som sänds ut av antenner utanför kroppen.

Tills nu, detta har varit svårt att uppnå eftersom radiovågor tenderar att skingras när de passerar genom kroppen, så de blir för svaga för att ge tillräckligt med ström. För att övervinna det, forskarna tog fram ett system som de kallar "In Vivo Networking" (IVN). Detta system förlitar sig på en rad antenner som sänder ut radiovågor med lite olika frekvenser. När radiovågorna färdas, de överlappar och kombinerar på olika sätt. På vissa punkter, där vågornas höjdpunkter överlappar varandra, de kan ge tillräckligt med energi för att driva en implanterad sensor.

"Vi valde frekvenser som skiljer sig något från varandra, och därvid, vi vet att dessa vid någon tidpunkt kommer att nå sina toppar samtidigt. När de når sina höjdpunkter samtidigt, de kan övervinna energitröskeln som behövs för att driva enheten, säger Adib.

Med det nya systemet, forskarna behöver inte veta den exakta platsen för sensorerna i kroppen, eftersom kraften överförs över ett stort område. Detta innebär också att de kan driva flera enheter samtidigt. Samtidigt som sensorerna får ett utbrott av kraft, de får också en signal som säger åt dem att vidarebefordra information tillbaka till antennen. Denna signal kan också användas för att stimulera frisättning av ett läkemedel, ett utbrott av elektricitet, eller en ljuspuls, säger forskarna.

Långdistanskraft

I tester på grisar, forskarna visade att de kunde skicka kraft från upp till en meter utanför kroppen, till en sensor som var 10 centimeter djup i kroppen. Om sensorerna ligger mycket nära hudens yta, de kan drivas på upp till 38 meters avstånd.

"Det finns för närvarande en avvägning mellan hur djupt du kan gå och hur långt du kan gå utanför kroppen, säger Adib.

Forskarna arbetar nu med att effektivisera kraftleveransen och överföra den över längre avstånd. Denna teknik har också potential att förbättra RFID -applikationer inom andra områden såsom lagerstyrning, detaljhandelsanalys, och "smarta" miljöer, möjliggör spårning och kommunikation av objekt på längre avstånd, säger forskarna.