Медицинская Техника / Медицинская техника №1, 2023 / с. 30-34

Обзор перспективных методов электропитания имплантируемых медицинских устройств

В.В. Заяц, И.К. Сергеев, Д.А. Федоров

Аннотация

Данный обзор посвящен методам электропитания имплантируемых медицинских устройств (электрокардиостимуляторов и других имплантируемых автономных систем), работающих без применения заменяемых батарей. Описываются общие принципы работы и примеры реализации таких видов электропитания для имплантируемых изделий. Также оцениваются перспективы развития данных методов при разработке коммерческих образцов изделий.

Вернуться к содержанию

Сведения об авторах

Виталий Викторович Заяц, канд. мед. наук, доцент, директор, ФГАУ «Ресурсный центр универсального дизайна и реабилитационных технологий»,

Игорь Константинович Сергеев, канд. техн. наук, научный сотрудник, научный отдел, ФГАУ «Ресурсный центр универсального дизайна и реабилитационных технологий», доцент, кафедра «Биокибернетические системы и технологии», РТУ МИРЭА,

Дмитрий Андреевич Федоров, инженер, научный отдел, ФГАУ «Ресурсный центр универсального дизайна и реабилитационных технологий», г. Москва,

e-mail: dafedorov@rcud-rt.ru

Список литературы

1. Shadid R., Noghanian S. A literature survey on wireless power transfer for biomedical devices // International Journal of Antennas and Propagation. 2018. Vol. 2018. № 5. PP. 1-11.

2. Haerinia M., Shadid R. Wireless power transfer approaches for medical implants: A Review // Signals. 2020. Vol. 1. № 2. PP. 209-229.

3. Dinis H., Colmiais I., Mendes P.M. Extending the limits of wireless power transfer to miniaturized implantable electronic devices // Micromachines. 2017. Vol. 8. № 12.

4. Rizzo G., Loyau V., Nocua R. et al. Potentiality of magnetoelectric composites for wireless power transmission in medical implants / 13th International Symposium on Medical Information and Communication Technology (ISMICT). IEEE, 2019. PP. 1-4.

5. Shaw T., Mitra D. Metasurface-based radiative near-field wireless power transfer system for implantable medical devices // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2019. Vol. 13. № 12. PP. 1974-1982.

6. Mohanarangam K, Palagani Y., Cho K., Choi J-R. Inductive Power Transfer Link at 13.56 MHz for Leadless Cardiac Pacemakers // Energies. 2021. Vol. 14. № 17.

7. Chen J., Xu J. A new coil structure for implantable wireless charging system // Biomedical Signal Processing and Control. 2021. Vol. 68.

8. Mujeeb-U-Rahman M., Adalian D., Chang C.-F., Scherer A. Optical power transfer and communication methods for wireless implantable sensing platforms // Journal of Biomedical Optics. 2015. Vol. 20. № 9.

9. Jin P., Fu J., Wang F. et al. A flexible, stretchable system for simultaneous acoustic energy transfer and communication // Science Advances. 2021. Vol. 7. № 40.

10. Bao J., Hu S., Xie Z. et al. Optimization of the Coupling Coefficient of the Inductive Link for Wireless Power Transfer to Biomedical Implants // International Journal of Antennas and Propagation. 2022. Vol. 2022.

11. Taalla R., Arefin M., Kaynak A. et al. A review on miniaturized ultrasonic wireless power transfer to implantable medical devices // IEEE Access. 2018. Vol. 7. PP. 2092-2106.

12. Zheng Q., Tang Q., Wang Z., Li Z. Self-powered cardiovascular electronic devices and systems // Nature Reviews Cardiology. 2021. Vol. 18. № 1. PP. 7-21.

13. Dong L., Closson A., Oglesby M. et al. In vivo cardiac power generation enabled by an integrated helical piezoelectric pacemaker lead // Nano Energy. 2019. Vol. 66.

14. Gururaj S., Appaji A., Applequist A. et al. Self-powered cardiac pacemaker: The viability of a piezoelectric energy harvester / 2020 International Conference on COMmunication Systems & NETworkS (COMSNETS). IEEE, 2020. PP. 70-75.

15. Ryu H., Park H., Kim M. et al. Self-rechargeable cardiac pacemaker system with triboelectric nanogenerators // Nature Communications. 2021. Vol. 12. № 1. PP. 1-9.

16. Aditya K., Bobba P. B., Satyavani Y. Design and development of wireless power transfer system for implantable cardioverter defibrillator // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2021. Vol. 65. № 4. PP. 703-714.

17. Liu C., Jiang C., Song J. et al. An effective sandwiched wireless power transfer system for charging implantable cardiac pacemaker // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2018. Vol. 66. № 5. PP. 4108-4117.

18. Jegadeesan R., Agarwal K., Guo Y-X. et al. Wireless power delivery to flexible subcutaneous implants using capacitive coupling // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2016. Vol. 65. № 1. PP. 280-292.

19. Kavitha M., Chakravarthy N.S.K., Reddy D.M. A Handy Wireless Charging Prototype for Bio-medical Implantable Devices / 2021 International Conference on Sustainable Energy and Future Electric Transportation (SEFET). 2021. PP. 1-6.

20. Данилов А., Миндубаев Э., Селищев С. Методы компенсации смещений катушек в системах индуктивной чрескожной передачи энергии к имплантируемым медицинским приборам // Медицинская техника. 2017. № 1. С. 41-44.

21. Hu L., Fu Y., Ruan X. et al. Detecting Malposition of Coil Couple for Transcutaneous Energy Transmission // American Society for Artificial Internal Organs Journal. 2016. Vol. 62. № 1. PP. 56-62.

22. Friedmann J., Groedl F., Kennel R. A Novel Universal Control Scheme for Transcutaneous Energy Transfer (TET) Applications // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2015. Vol. 3. № 1. PP. 296-305.

23. Han W., Chau K., Jiang C., Liu W. Accurate Position Detection in Wireless Power Transfer Using Magnetoresistive Sensors for Implant Applications // IEEE Transactions on Magnetics. 2018. Vol. 54. № 11. PP. 1-5.

24. Fu Y., Hu L., Ruan X., Fu X. A transcutaneous energy transmission system for artificial heart adapting to changing impedance // Artificial Organs. 2015. Vol. 39. № 4. PP. 378-387.

25. Горский О. Минимизация нагрева имплантируемых устройств с беспроводной индуктивной системой питания // Информационно-управляющие системы. 2014. № 5. C. 40-50.

26. Данилов А., Миндубаев Э. Влияние угловых смещений катушек на эффективность чрескожной беспроводной передачи энергии при помощи индуктивной связи // Медицинская техника. 2015. № 3. С. 33-35.

27. Ding K., Yu Y., Lin H., Xie J. Wireless power transfer at sub- GHz frequency for capsule endoscope // Progress in Electromagnetics Research C. 2016. Vol. 66. PP. 55-61.

28. Khan S., Pavuluri S., Cummins G. et al. Wireless power transfer techniques for implantable medical devices: A review // Sensors. 2020. Vol. 20. № 12.

29. Jiang L., Lu G., Yang Y. et al. Multichannel Piezo-Ultrasound Implant with Hybrid Waterborne Acoustic Metastructure for Selective Wireless Energy Transfer at Megahertz Frequencies // Advanced Materials. 2021. Vol. 33. № 44.

30. Hinchet R., Yoon H-J., Ryu H. et al. Transcutaneous ultrasound energy harvesting using capacitive triboelectric technology // Science. 2019. Vol. 365. № 6452. PP. 491-494.

31. Sonmezoglu S., Fineman J.R., Maltepe E., Maharbiz M.M. Monitoring deep-tissue oxygenation with a millimeter-scale ultrasonic implant // Nature Biotechnology. 2021. Vol. 39. № 7. PP. 855-864.

32. Asif S., Iftikhar A., Hansen J. et al. A novel RF-powered wireless pacing via a rectenna-based pacemaker and a wearable transmit- antenna array // IEEE Access. 2018. Vol. 7. PP. 1139-1148.

33. Fan Y., Liu H., Liu X. Novel coated differentially fed dual- band fractal antenna for implantable medical devices // IET Microwaves, Antennas & Propagation. 2020. Vol. 14. № 2. PP. 199-208.

34. Asif S.M., Iftikhar A., Braaten B.D. et al. A wide-band tissue numerical model for deeply implantable antennas for RF-powered leadless pacemakers // IEEE Access. 2019. Vol. 7. PP. 31031-31042.

35. 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. № 1. PP. 66-71.

36. Goto K., Nakagawa T., Nakamura O., Kawata S. An Implantable Power Supply with an Optically Rechargeable Lithium Battery // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2001. Vol. 48. № 7. PP. 830-833.

37. Dai B., Urbas A., Lodder R.A. Prospects for implantable sensors powered by near infrared rechargeable batteries // NIR News. 2006. Vol. 17. № 1. PP. 14-15.

38. Ayazian S., Akhavan V., Soenen E., Hassibi A. A Photovoltaic- Driven and Energy-Autonomous CMOS Implantable Sensor // IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 2012. Vol. 6. № 4. PP. 336-343.

39. 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). 39th Annual International Conference of the IEEE. 2017. PP. 1978-1981.

40. Барун В., Иванов А. Оценка спектрального поглощения света компонентами кожного покрова // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 106. № 1. С. 89-96.

41. Cadei A., Dionisi A., Sardini E., Serpelloni M. Kinetic and thermal energy harvesters for implantable medical devices and biomedical autonomous sensors // Measurement Science and Technology. 2013. Vol. 25. № 1.

42. Данилов А.А., Маслобоев Ю.П., Миндубаев Э.А., Селищев С.В. Устройство для беспроводной чрескожной передачи оптической энергии для питания имплантируемых медицинских приборов / Патент № 2671418 РФ. № 2017145779; заявл. 26.12.2017; опубл. 31.10.2018. Бюл. № 31.