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2018年7月6日 星期五

The Smart Pill Bottle System - Proof of Concept Video





來源:MIT news





隨著技術的發展,向人體體內實現精準的藥物輸送、準確的檢測和控制,已經不是遙不可及的夢想。

麻省理工學院的研究人員,與Brigham and Women醫院的科學家合作,開發了一種新的方式來為植入人體深處的設備,進行供電並通信。這種裝置可以用來輸送藥物,監測身體內部的狀況,或者透過電-光刺激大腦來治療疾病。


植入設備由射頻波供能,而射頻波可以安全地通過人體組織。在動物試驗中,研究人員表示,射頻波可以為距離1米遠、位於組織10釐米深處的裝置提供動力。

「儘管這些微型植入式裝置沒有電池,但我們現在可以在體外遠距離與它們通信。這開闢了全新的醫療應用領域,」麻省理工學院媒介實驗室助理教授、論文資深作者Fadel Adib說。

該論文將在8月份舉行的電腦機械協會數據通信特別興趣小組(Association for Computing Machinery Special Interest Group on Data Communication, SIGCOMM )會議上發表。

因為這些設備不需要電池,所以可以做的足夠小。在這項研究中,研究人員做了一個米粒大小的測試品,但他們預期還能夠做得更小。


「在不需要電池的情況下,與系統進行通信,將是一項重大進步。這些設備可以與各種傳感環境相容,也可以幫助輸送藥物。」哈佛醫學院Brigham and Women醫院(Brigham and Women's Hospital,BWH )的助理教授Giovanni Traverso說,他是麻省理工學院Koch綜合癌症研究所的研究附屬機構的研究人員,也是這篇論文的作者。

論文的其他作者是介質實驗室博士後馬雲飛、媒介實驗室研究生羅志宏、Koch研究所和BWH博士後Christoph Steiger。

無線通信
可以被攝入或植入體內的醫療設備,為醫生提供了新的方法進行診斷、監測和治療疾病。Traverso的實驗室,目前正在研究各種可攝入的系統,用來輸送藥物、監測生命體徵和檢測胃腸道的運動。


在大腦中,可以輸送電流的植入型電極,被用於一種稱為腦深部刺激的技術,該技術通常用於治療帕金森氏症或癲癇。目前這種電極由植入皮膚的類似起搏器的裝置控制,如果使用無線電源,就可以去除這個植入皮膚的裝置。

無線腦植入裝置還可以傳遞光信號,透過光遺傳學刺激或抑制神經元活動,到目前為止,光遺傳學還沒有用於人類,但這種方法,對於治療許多神經疾病會很有幫助。

目前,植入式醫療設備自帶電池,佔據了設備的大部分空間,且壽命有限,比如起搏器。Adib一直在設想更小的無電池設備,一直在探索用體外天線發射的無線電波,為植入式設備進行供電的可能性。

到目前為止,這還很難實現,因為無線電波在透過身體時,會有很大的損耗,所以最終太弱而無法提供足夠的能量。為了克服這一點,研究人員設計了一個他們稱之為「體內網路」( In Vivo Networking, IVN )的系統。

該系統依賴於天線陣列,天線陣列發射一系列的無線電波,無線電波之間的頻率略有不同。當無線電波傳播時,它們以不同的方式重疊和結合。在特定的時間點,當波峰重疊時,就可以提供足夠的能量,來驅動植入的傳感器。


「我們選擇的無線電波的頻率,彼此間有些微小的差異,這樣的話在某個時間點,它們就會同時達到最高點。當它們同時達到最高點時,就能夠達到為設備供電所需的最低能量。」Adib 說。

有了新的系統,研究人員不需要知道傳感器,在體內的確切位置,因為能量是透過大面積傳輸的。這也意味著他們可以同時為多個設備供電。

在傳感器接收到大量的能量的同時,它們還接收到一個信號,讓它們將資訊傳輸回天線。研究人員說,這種信號也可以用來刺激藥物的釋放、或用作電脈衝或光脈衝。

MIT的研究人員開發了一種新的技術,可以用來遙控「智慧藥丸」釋放藥物。

實現遠距離供電
在豬身上進行的測試中,研究人員表示,他們可以將能量從身體外面一米遠處,輸送到深入身體10釐米的傳感器上。如果傳感器非常靠近皮膚表面,它們可以從38米遠的地方供電。

Adib表示:「要在體內的植入深度,和體外的能量傳輸距離之間,針對實際情況進行權衡」。

研究人員現在正致力於,提高電力輸送的效率,並讓電力輸送設備距離更遠。研究人員說,這項技術也有望改善RFID在其他領域的應用,例如庫存控制、零售分析和「智慧」環境,允許更長距離的物體追蹤和通信。

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