УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЧРЕСКОЖНОЙ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПЛАНТИРУЕМЫХ МЕДИЦИНСКИХ ПРИБОРОВ
DEVICE FOR WIRELESS TRANSCUTANEOUS TRANSMISSION OF OPTICAL ENERGY FOR POWER SUPPLY OF IMPLANTABLE MEDICAL DEVICES

Устройство для беспроводной чрескожной передачи оптической энергии для питания имплантируемых медицинских приборов
Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для беспроводного дистанционного питания имплантируемых медицинских приборов (ИМП), потребляющих ток мощностью до 5 мВт, в том числе кардиостимуляторов, кардиовертеров/дефибрилляторов, стимуляторов спинного мозга, стимуляторов головного мозга, кохлеарных имплантатов, визуальных протезов, биомедицинских датчиков и других. Также изобретение может найти применение в тех областях техники, где возникает необходимость в беспроводной передаче энергии на небольшое расстояние.
Беспроводная чрескожная передача энергии в настоящее время является одним из основных способов энергообеспечения ИМП. Обычно для решения этой задачи используют индуктивную связь. Устройства, в которых реализован этот метод, включают в себя передающий и принимающий модули. Передающий модуль обычно включает в себя блок управления; источник энергии (носимый химический элемент питания); генераторный блок, преобразующий постоянный ток источника в переменный; передающий колебательный LC-контур, генерирующий переменное электромагнитное поле. Принимающий модуль обычно включает в себя принимающий колебательный LC-контур, преобразующий энергию переменного электромагнитного поля в переменный ток; блок выпрямления и стабилизации; устройство для хранения энергии (аккумулятор). Рабочие частоты таких систем обычно находятся в диапазоне 0,1…10 МГц, катушки индуктивности в составе колебательных LC-контуров обычно выполняются в виде плоских катушек с кольцевой или спиральной намоткой размером 2…10 см [1-11]. Наиболее существенными недостатками индуктивной передачи энергии являются:
- проблема помехозащищенности энергетического канала, связанная с необходимостью защиты от воздействия радиоизлучающих приборов различного назначения (медицинских, промышленных, бытовых);
- значительные размеры передатчика и приемника энергии (передающей и принимающей катушек индуктивности), что затрудняет имплантацию устройств.
Задача существенного уменьшения габаритов приемника излучения может быть решена с использованием высокочастотного радиоизлучения. Известно устройство, в котором для передачи энергии к ИМП используется источник, включающий в себя четыре излучателя радиоволн частотой 1,6 ГГц [12]. Такое решение позволяет уменьшить размеры приемной антенны на порядок (~2 мм вместо ~2 см), однако существенными недостатками метода являются низкая эффективность передачи энергии (<1%) и проблема помехозащищенности, в т.ч. от воздействия бытовых приборов, работающих в гигагерцовом диапазоне (мобильные телефоны, сети беспроводной связи Wi-Fi и пр.)
2
2
Проблема минимизации габаритов приемника и повышения помехозащищенности может быть решена путем использования для чрескожной передачи энергии оптического излучения [13-20]. В известных устройствах, предназначенных для беспроводной чрескожной передачи энергии с помощью оптического излучения, обычно используют ближнее ИК-излучение (длина волны 750…900 нм), что снимает проблему помех со стороны радиоизлучающих приборов медицинского, бытового или промышленного назначения. Приемник излучения обычно имплантируют непосредственно под кожу, расстояние передачи энергии (толщина слоя кожи) составляет 1…3 мм. При этом для избегания термического поражения кожи используют маломощное излучение (плотность мощности ~10 мВт/см). Известные устройства могут обеспечивать беспроводное питание ИМП, потребляющих ток мощностью 5 мВт и менее, при использовании приемников излучения площадью 1…2 см, что на порядок меньше размеров приемников энергии в устройствах для индуктивной передачи энергии. Основной проблемой чрескожной передачи энергии с помощью оптического излучения является низкая эффективность передачи энергии (10…20%), обусловленная, в первую очередь, рассеянием оптического излучения в биологических тканях (коже).
2
Известно устройство для чрескожной беспроводной передачи энергии, в котором в качестве источника излучения используется лазер с длиной волны 750 нм и мощностью 5 мВт, а в качестве приемника излучения - массив из 8 фотодиодов в двух конфигурациях: прямоугольной (две линейки по 4 фотодиода; длина 29 мм, ширина 15 мм) и крестообразной (две пересекающиеся линейки 2×4, диаметр описанной окружности 26,7 мм) с суммарной фоточувствительной поверхностью площадью 90 мм [17]. Существенными недостатками этого устройства, снижающими эффективность передачи энергии, является использование формы пучка, соответствующей по размерам и форме детектору (при рассеянии излучения в коже необходимо использовать детектор, размер которого больше размера пучка [16]), и отсутствие средств компенсации обратного рассеяния.
Известно устройство для чрескожной беспроводной передачи энергии с помощью оптического излучения, включающее в себя передающий модуль с источником оптического излучения (фотодиодом) и приемником радиосигналов, и имплантируемый модуль с приемником оптического излучения (массив из шести фотодиодов, подключенных последовательно), устройством детектирования биологических электросигналов, радиопередатчиком и двумя электродами [21]. В качестве источника излучения используется фотодиод, генерирующий оптическое излучение с длиной волны 780 нм и плотностью мощности 280 мВт/стерадиан. Диаметр пятна освещенности на поверхности кожи составляет 5,5 мм, что превышает размеры приемника оптического излучения (3,2×3,9 мм). Это существенно снижает эффективность передачи энергии, поскольку площадь приемника вдвое меньше площади пятна освещенности, и в устройстве отсутствуют средства компенсации обратного рассеяния.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство (прототип)., одна из реализаций которого включает в себя внешний передающий модуль в составе источника энергии, устройства управления и источника оптического излучения; и принимающий модуль, имплантируемый в тело пациента, и включающий в себя приемник оптического излучения устройство обработки электрических сигналов, подключенное к питаемому ИМП [22]. Существенным недостатком этого устройства является отсутствие средств уменьшения влияния рассеяния оптического излучения в биологических тканях (коже) при чрескожной передаче энергии. Это приводит к тому, что энергия обратно-рассеянного излучения, выходящего через кожу в направлении передающего модуля, теряется при передаче и, соответственно, эффективность передачи энергии падает.
Задача изобретения - повышение эффективности беспроводной чрескожной передачи энергии.
Это достигается тем, что предлагаемое устройство для беспроводной чрескожной передачи оптической энергии для питания имплантируемых медицинских приборов содержит внешний передающий модуль, включающий источник энергии, источник оптического излучения, снабженный отражающим элементом, и блок управления, и имплантируемый приемный модуль, включающий приемник оптического излучения, устройство обработки и преобразования электрических сигналов и устройство сбора и хранения электрической энергии, и отличается тем, что отражающий элемент является отражающим элементом обратно-рассеянного от поверхности кожи оптического излучения.
Следует отметить, что человеческая кожа является так называемой сильно-рассеивающей средой для оптического излучения ближнего ИК-диапазона (длина волны 750…900 нм). При взаимодействии излучения с такими средами рассеяние преобладает над поглощением. Так, для длины волны излучения 800 нм величина коэффициента поглощения кожи составляет 0,043 1/мм, величина редуцированного коэффициента рассеяния -1,4 1/мм. Для излучения с длиной волны 900 нм величина коэффициента поглощения кожи составляет 0,033 1/мм, величина редуцированного коэффициента рассеяния - 1,55 1/мм [23]. Таким образом, акты рассеяния фотонов происходят существенно чаще, чем акты поглощения. Это приводит к тому, что при прохождении тонких (1…3 мм) слоев кожи основным механизмом ослабления излучения источника является рассеяние. При этом рассеяние в биологических тканях, в т.ч. коже, обычно является близким к изотропному, т.е. интенсивность рассеянного излучения практически одинакова во всех направлениях. Таким образом, доля энергии обратно-рассеянного излучения, т.е. излучения, выходящего через кожу в направлении источника излучения, может быть близка к 50%. Использование отражающего элемента позволяет направить обратно-рассеянное излучение источника в направлении приемника оптического излучения и, тем самым, использовать часть энергии излучения источника, которая теряется в прототипе и других известных устройствах для чрескожной беспроводной передачи энергии с помощью оптического излучения.
Отражающий элемент может быть выполнен в виде плоского зеркала с отверстием в центре для источника оптического излучения; в виде фокусирующего конуса (фокона), с отверстием в центре для источника оптического излучения; в виде вогнутого зеркала с отверстием в центре для источника оптического излучения. Поскольку рассеяние излучения приводит к существенному увеличению зоны освещенности, использование отражающего элемента, у которого поперечный размер (диаметр) больше поперечного размера приемника оптического излучения, позволяет дополнительно повысить эффективность передачи энергии.
В качестве источника излучения в предлагаемом устройстве может использоваться фотодиод или лазер.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, где
1 - передающий модуль;
2 - блок управления в составе передающего модуля;
3 - источник энергии в составе передающего модуля;
4 - источник оптического излучения в составе передающего модуля;
5 - отражающий элемент в составе передающего модуля;
6 - принимающий модуль;
7 - приемник оптического излучения в составе принимающего модуля;
8 - устройство обработки и преобразования электрических сигналов;
9 - устройство сбора и хранения электрической энергии;
10 - ИМП, для питания которого используется предлагаемое устройство;
11 - слой биологической среды (кожи), разделяющий приемный и передающий модули.
На фиг. 2 изображено предлагаемое устройство, где отражающий элемент в составе передающего модуля имеет форму фокусирующего конуса - фокона.
На фиг. 3 изображено предлагаемое устройство, где отражающий элемент в составе передающего модуля имеет форму вогнутого зеркала.
На фиг. 4 представлена рассчитанная с помощью метода Монте-Карло зависимость доли поглощенных фотонов (от общего числа фотонов, испущенных источником) в зависимости от толщины слоя кожи, разделяющего приемный и передающий модули, при использовании излучения с длиной волны 800 нм  и 900 нм
Использование отражающего элемента позволяет существенно повысить эффективность чрескожной передачи энергии. Так, с помощью моделирования методом Монте-Карло процесса чрескожной передачи энергии, можно показать, что при толщине слоя кожи, разделяющего передающий и приемный модули, в пределах 1...3 мм, потери, связанные с поглощением излучения, не превышают 25% для излучения с длиной волны 800…900 нм. В то же время потери, связанные с обратным рассеянием, могут составлять 50…55%. Отражение обратно-рассеянного излучения в направлении приемника оптического излучения может увеличить эффективность передачи энергии в 1,5…2 раза.
Источники информации:
1. Amar А.В., Kouki А.В., Cao Н. et al. Power Approaches for Implantable Medical Devices//Sensors, 2015. - Vol.15, №11. - P. 28889-28914.
2. Bocan K.N., Sejdic E. Adaptive transcutaneous power transfer to implantable devices: a state of the art review // Sensors, 2016. - Vol.16. №3. - E393.
3. Wang J., Smith J., Bonde P. Energy transmission and power sources for mechanical circulatory support devices to achieve total implantability // The Annals of Thoracic Surgery, 2014. - Vol.97. №4. - P. 1467-1474.
4. Yakovlev A., Kim S., Poon A. Implantable biomedical devices: Wireless powering and communication // IEEE Communications Magazine, 2012. - Vol.50. №4. - P. 152-159.
5. А.А. Данилов, Г.П. Иткин, СВ. Селищев. Развитие методов чрескожного беспроводного энергообеспечения имплантируемых систем вспомогательного кровообращения // Медицинская техника, 2010. - №4. - С.8-15.
6. Патент США 4'353'960.
7. Патент США 5'545'191.
8. Патент США 5'690'693
8. Патент США 5'995'874
10. Патент США 7'774'069
11. Патент США 6'473'652
12. Hoa J., Yeha A., Neofytoub Е. et al., Wireless power transfer to deep-tissue microimplants // PNAS, 2014. - Vol. 111, No.22. - PP. 7974-7979.
13. Goto K., Nakagawa Т., Nakamura O., Kawata S. An Implantable Power Supply with an OpticallyRechargeable Lithium Battery// IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, 2001. - Vol. 48, No. 7. - P. 830-833.
14. Dai В., Urbas A., Lodder R. A. Prospects for implantable sensors powered by near infrared rechargeable batteries // NIR news, 2006. - Vol. 17, No. l.-P. 14-15.
15. Ayazian S., Akhavan V., Soenen E. A Photovoltaic-Driven and Energy-Autonomous CMOS Implantable Sensor // IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS, 2012. - Vol. 6, No. 4. - P. 336-343.
16. Данилов А. А., Долгушин С.А., Миндубаев Э. А., Терещенко С.А., Титенок С.А. Математическое моделирование переноса энергии оптическим излучением через биологические ткани методом Монте-Карло // Медицинская техника, 2013. - №6. - С.34-38
17. Khan М., Singh A., Iqbal S. SPICE simulation of implantable solar power supply for sustainable operation of cardiac biosensors // Int. J. Biomedical Engineering and Technology, 2015. - Vol. 18, No. 2. - P. 168-185.
18. Saha A., Iqbal S., Karmaker M. et al. A wireless optical power system for medical implants using low power near-IR laser //Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2017 39th Annual International Conference of the IEEE. - February 2017. - P. 1978-1981.
19. Mujeeb-U-Rahman M., Dvin Adalian, Chieh-Feng Chang, Axel Scherer. Optical power transfer and communication methods for wireless implantable sensing platforms //Journal of Biomedical Optics. - 2015. - Vol. 20. - N. 9. - P.095012.
20. M. , R. , Т. Alder, R. Heinzelmann, D. Kalinowski, D.  Artificial vision: an application for short-distance free-space optical interconnection // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 1, 1999. - p.310-312.
21. Shimatani Y., Kato H., Haraike K., Murata T. A Fully Implantable Subcutaneous EMG Sensor Powered by Transcutaneous Near-Infrared Light Irradiation // Journal of the Japan Society of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2013. - Vol. 21, No. 1. - P. 66-71.
22. Патент США 8'295'941 - прототип.
23. Bashkativ A.N., Genina E.A., Tuchin V.V. Optical properties of skin, subcutaneous, and muscle tissues: a review //Journal of Innovative Optical Health Sciences, 2011. - Vol. 4, No.1. - P. 9-38.