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可為植入式電子醫療裝置無線供電的微型光伏系統

出處 GIST 作者 劉聖哲摘譯 年份 2020/09/09
報告類型 新聞報導 分類 原子科技及民生應用 資料時間 2020年9月
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        植入式電子醫療設備之發明,例如用於調節心律的心律調節器、控制脊髓液流動的腦脊髓液分流器(cerebrospinal fluid shunts),及那些正在開發中如人工胰島等設備​​,對於現代的醫療保健,尤其是在長期管理慢性疾病方面實有重大助益。然而,這些設備同樣都會遇到如何長時間穩定地將電力提供給它們以正常運作的問題,特別是那些計劃長期植入體內的設備,此問題更是重要。現行方法之一是以人體外部電線穿透皮膚供電,但這很容易導致感染;有些裝置雖然已開始使用基於電感耦合技術的無線供電方法,然此法也僅適用於功率低的裝置才能保證安全。當然,也有使用內建電池的設備,不過即使電池壽命很長,電池最終仍會因電能耗盡而需以外科手術更換,令患者不僅要忍受手術痛苦,也得承擔伴隨而來的瘀傷、感染和其他併發症等風險。

  為了尋求更安全且一勞永逸的解決方案,韓國光州科技學院(Gwangju Institute of Science and Technology, GIST) 由李鍾浩(音譯)教授領導的研究小組深入尋找解決方案,開發出「主動式無線光子能傳輸系統(active wireless photonic power transfer system)」,可使植入式電子醫療設備在無需進行外科手術、或危險的電線皮膚穿透下充電。此成果已發表在《美國國家科學院學報(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS》七月號上。

  李教授團隊所開發的「主動式無線光子能傳輸系統」是由兩部分組成:一是貼在皮膚上,能產生對人體組織具有較強穿透力,波長為670nm之紅光的micro-LED光源貼片;另一則是與植入式醫療設備整合,用來捕獲光子進而產生電能而為設備充電的光伏電池。技術之靈感來源則是研究人員觀察到當他們將手對著強光高舉時,可以看到隨著光線穿過皮膚,手的邊緣會發光,也就是人體組織具有能透光之半透明性質。由於是使用紅光LED之光源,所以無論是陰天、室內、還是夜間,都能讓體內的醫療裝置獲得充足的能量以維持正常工作,這將大大延長醫療裝置的壽命,減少患者不便。經由對小老鼠實驗,研究人員證明貼在小老鼠皮膚上的紅光micro-LED光源貼片及植入小老鼠體內的光伏電池能在皮下0.11cm2小面積內產生功率密度74.1μW/cm2,亦即足以驅動心律調節器之8.2μW的電力。

  李教授表示:「我們的研究結果將使植入式醫療設備能長期安置於人體內,相信也有助於加速需要更高功率之新式植入式醫療設備的開發與使用。未來我們將對我們的系統進行更進一步的研究與實驗,提高功率與安全性,以為未來的植入式電子醫療設備提供足夠動力。」

圖說:(A)貼在左胸上的紅光mico-LED光源貼片。(B)&(C)一個傳統的9V電池,衣服下無須任何復雜電路。就足以使micro-LED光源發光進而對體內的植入式醫療裝置充電。

(Source: Juho Kim et. al., Active photonic wireless power transfer into live tissues, PNAS(2020), DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2002201117, CC BY-NC-ND 4.0)