柔性全向旋转磁阵列，实现核磁共振成像安全的无线能量采集

研究背景

植入式医疗电子设备，如脑深部刺激器、人工耳蜗、心脏起搏器和髓刺激器，是重要的医疗设备，为数百万患有运动障碍、听力障碍和心律失常的患者带来了巨大的好处。这些设备可在可持续数的高性能一次电池或透皮无线能量采集 (使用带有可充电电池的外部系统为植入系统供电) 的支持下连续运行与植入式一次电池相比，无线能量采集可为植入系统提供复杂的功能，而不必担心电池泄漏和手术更换电池。然而，无线能量采集通常需要通过刚性磁铁将植入式设备和外部可穿戴设备进行透皮机械耦合，而磁铁在磁共振成像(MR)过程中试图与外部磁场对齐时可能会产生较大的扭转力，从而引起不适、潜在的磁铁脱落和退磁。为了缓解这些问题，人们开发了磁共振成像安全系统，该系统可在某些人体方向上使内部磁体与磁共振成像主孔轴对齐，从而在很大程度上消除了在磁共振成像扫描期间通过手术移除装置或采用绷带固定装置的需要。

研究成果

磁共振成像(MRI)安全植入式无线能量收集器为患有脑部疾病、听力障碍和心律失常的患者带来了巨大的益处。然而，在旋转轴数量有限的尖端系统中，刚性磁体会带来设备移位和磁体失效的高风险。在此，天津大学黄显教授团队开发了一种柔性全向旋转磁阵列(FORMA) 和一种柔性磁共振成像安全植入式无线能量收集系统。通过成型3D印刷模板实现的直径为 1 毫米的微型柔性磁球可在弹性体腔中自由旋转，并在植入式接收器和可穿戴收发器之间 1 毫米的距离内提供 2.14 牛顿的磁力。该系统可在 9g 的加速度下稳定工作，并在 8 兆兹的传输频率下获得 15.62分贝毫瓦的功率输出。FORMA 的开发可能会带来终身灵活和无电池的植入式系统，并有可能促进监测和治疗急性和慢性疾病的技术。相关研究以“A flexible omnidirectional rotating magnetic array for MRI-safe transdermal wireless energy harvesting through flexible electronics”为题发表在Science Advances期刊上。

图文导读

Fig. 1. Schematics of the MRI-safe FORMA and the transdermal wireless energy-harvesting system.

Fig. 2. Fabrication of the FORMA.

Fig. 3. Magnetism characterization of the FORMA.

Fig. 4. Electrical characterization of the MRI-safe transdermal wireless energy-harvesting system.

Fig. 5. Bioimaging and biocompatibility of the MRI-safe transdermal wireless energy-harvesting system.

总结与展望

本文提出了构建名为 FORMA 的植入式柔性全向旋转磁阵列和透皮无线能量收集系统的方法，该系统可与其他植入式系统集成，用于疾病治疗。该系统包含一个微型植入式 Rx 模块和一个可穿戴式 Tx 模块。研究了在 FORMA 中实现石蜡包裹柔性磁球和互联空腔的方法和机制，从而使可自由旋转的磁球能以最小的扭矩对外部磁场的变化做出快速反应在 Tx 和 Rx模块的共振频率与传输频率相匹配的条件下，接收功率达到 15.62dBm，为支持植入设备执行复杂功能提供了足够的能量。在兔子身上进行的体内实验证明，该系统具有良好的生物兼容性和长期无线能量采集能力，这表明 有希望与其他植入元件集成，实现生理调节和疾病治疗。本研究根据实际应用和可用性使用了不同的磁通密度。由于 3T 和 450 mT 核磁共振成像系统通常可在诊所和兽医院中使用，因此本文使用它们来获取核磁共振成像图像。

为了评估不同磁体产生的扭矩，本文使用了7T的极端强度进行模拟。在实验室环境中进行的大多数实验都使用了强度在 150 到 450 mT 之间的铁确永磁体。通过提高装置中磁性球的填充率，可以进一步提高 FORMA 的性能。可能的方法包括将小磁球和大磁球结合使用，以及减少牺牲性石蜡涂层的厚度。此外，随着磁球尺寸的进一步缩小，微型球形磁球的制造也变得更加困难。可能有必要探索其他方法来实现基于不规则磁性颗粒的牺牲层涂层。由于当前研究中的微控制器被编程为产生 8MHZ 的传输频率，因此可能有必要采用不同的 Tx 模块设计来输出更标准的频率，如 13.56MHZ。尽管被认为是保护植入式设备的绝佳封装材料，但它在保护柔性电路方面的有效性及其在薄膜形式中的性能仍有待进一步探索。利用本文开发的技术，最终可能实现更全面的植入式无电池柔性系统从而实现长期和闭环监测。

文献链接

A flexible omnidirectional rotating magnetic array for MRI-safe transdermal wireless energy harvesting through flexible electronics

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5451

转自：“i学术i科研”微信公众号

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