Ein Forscherteam des MIT, der Harvard Medical School und des Brigham and Women's Hospital (BWH) hat ein drahtloses System in der Lage, tief im menschlichen Körper implantierte Geräte mit Strom zu versorgen und mit ihnen zu kommunizieren.
Diese Geräte könnten verwendet werden, um Medikamente zu verabreichen, Zustände im Körper zu überwachen oder Krankheiten zu behandeln, indem das Gehirn mit Strom oder Licht stimuliert wird.
Zuvor waren Fernbedienungen, die zu medizinischen Zwecken in den Körper implantiert werden können, durch ihre Abhängigkeit von Strom für die Stromversorgung eingeschränkt, was vorschrieb, wie klein und langlebig sie sein können.
Jedoch müssen auch tsein Team hat einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu umgehen.
Die Geräte des Teams werden nicht mit Strom, sondern mit Hochfrequenzwellen betrieben und können so klein wie ein Reiskorn sein.
„Obwohl diese winzigen implantierbaren Geräte keine Batterien haben, können wir jetzt aus der Ferne außerhalb des Körpers mit ihnen kommunizieren. Das eröffnet ganz neue medizinische Anwendungen“, Fadel Adib, ein Assistenzprofessor am MIT Medienlabor und leitender Autor der Studie, sagte in einer Erklärung.
Die Forschung wird auf der Messe vorgestellt Fachverband für Computertechnik Fachgruppe Datenkommunikation (SIGCOMM) Konferenz im August.
Zum Team gehören außerdem: Giovanni Traverso, außerordentlicher Arzt am BWH, Assistenzprofessor der Harvard Medical School und Forschungspartner am MIT Koch-Institut für integrative Krebsforschung; Yunfei Ma, Postdoc im Medienlabor; Zhihong Luo, Absolventin des Medienlabors; und Christoph Steiger, Koch-Institut und BWH-Angehöriger Postdoc.
Drahtlos gehen
Derzeit sind implantierbare medizinische Geräte wie Herzschrittmacher auf Batterien angewiesen, die eine begrenzte Lebensdauer haben und den größten Teil des Platzes auf dem Gerät einnehmen.
Die Forscher fanden also einen Weg, Geräte drahtlos mit Funkwellen zu versorgen, die von Antennen außerhalb des Körpers ausgestrahlt werden.
„Die Fähigkeit, mit diesen Systemen zu kommunizieren, ohne dass eine Batterie benötigt wird, wäre ein bedeutender Fortschritt. Diese Geräte könnten mit Sensorbedingungen kompatibel sein und die Verabreichung eines Medikaments unterstützen“, sagte Traverso in einer Erklärung.
Frühere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass dies schwierig ist, da Radiowellen dazu neigen, sich aufzulösen und an Leistung zu verlieren, wenn sie durch den Körper gehen.
Die Lösung des Teams ist In-vivo-Netzwerke (IVN), ein System, das auf einer Vielzahl von Antennen beruht, die Funkwellen unterschiedlicher Frequenzen aussenden.
Da IVN mit leicht unterschiedlichen Frequenzen arbeitet, verbinden sich die Hochpunkte der Wellen, wenn sie sich überlappen, um Energie zu erzeugen.
„Wir haben Frequenzen gewählt, die sich leicht voneinander unterscheiden, und wissen dabei, dass diese irgendwann gleichzeitig ihre Höchststände erreichen werden“, sagte Adib in einer Erklärung. „Wenn sie gleichzeitig ihre Höchstwerte erreichen, können sie die Energieschwelle überwinden, die zum Betreiben des Geräts erforderlich ist.“
Mit dieser Methode können die Geräte auf unbestimmte Zeit mit Strom versorgt werden. Es ermöglicht auch die Übertragung von Strom über einen großen Bereich, wodurch die genaue Position eines Geräts im Körper nicht mehr bekannt ist und mehrere Geräte gleichzeitig mit Strom versorgt werden können.
Wenn die Sensoren einen Stromstoß empfangen, erhalten sie auch ein Signal, das sie anweist, Informationen an die Antenne zurückzugeben.
Die Forscher glauben, dass das Signal verwendet werden könnte, um die Freisetzung eines Medikaments, einen Energieschub oder sogar einen Lichtimpuls zu stimulieren.
Testen der Geräte
Bisher haben die Forscher diese Geräte sowohl im Magen-Darm-Trakt als auch subkutan bei Schweinen getestet.
Sie fanden heraus, dass je näher der Sensor an der Hautoberfläche ist, desto weiter entfernt kann er mit Strom versorgt werden. Beispielsweise könnte ein Sensor nahe der Hautoberfläche aus einer Entfernung von bis zu 38 Metern mit Strom versorgt werden, während ein Sensor mit einer Tiefe von 10 Zentimetern aus einer Entfernung von bis zu einem Meter mit Strom versorgt werden könnte.
„Wir haben es bis zu 10 cm Tiefe getestet“, sagte Adib. „Wenn sich die Geräte in oberflächlicher Tiefe befinden, können wir mit ihnen aus bis zu 125 Metern Entfernung kommunizieren. Wir arbeiten daran, die Tiefe und den Abstand zu erhöhen sowie die Geräte weiter zu miniaturisieren.“
Derzeit ist der Prototyp etwa so groß wie ein Reiskorn, aber die Forscher glauben, dass er noch kleiner gebaut werden könnte, da er keine Batterie benötigt.
Anwendungen
Die Forscher glauben, dass diese Technologie in den nächsten 5 bis 10 Jahren für den menschlichen Gebrauch verfügbar sein wird und der medizinischen Welt eine Reihe von Anwendungen bieten wird.
Eine Anwendung könnte darin bestehen, Licht zu liefern, um die Neuronenaktivität durch Optogenetik zu stimulieren oder zu hemmen, was bei der Behandlung einer Reihe von neurologischen Störungen nützlich sein könnte.
Andere Anwendungen umfassen die kontrollierte Verabreichung von Medikamenten, wenn sie in Smart Pills platziert werden, um Krankheiten wie Malaria oder Alzheimer zu behandeln, oder durch die Behandlung von Krankheiten wie Parkinson, wenn sie in das tiefe Hirngewebe integriert werden.
Im Allgemeinen könnten die drahtlosen Geräte verwendet werden, um batteriegesteuerte Implantate für eine Vielzahl von medizinischen Anwendungen zu eliminieren.
„Das IVN-System könnte sowohl auf Sensor- als auch auf therapeutische Geräte angewendet werden, einschließlich solcher, die zur Freisetzung von Medikamenten entwickelt wurden“, sagte Traverso.
