Имплантируемым медицинским устройствам для работы требуются батареи, использование которых создаёт сложности в эксплуатации имплантатов. При выработке энергетических ресурсов батареи, имплантируемые медицинские устройства в своем большинстве должны быть заменены хирургическим путем. Таким образом, срок службы имплантируемого медицинского устройства в целом определяется емкостью батареи. Чтобы избежать данного ограничения, изучаются методы аккумулирования энергии человеческого тела и разрабатываются безбатарейные имплантируемые медицинские устройства.
Тело человека является источником энергии, которая может быть преобразована из тепла тела, дыхания, движения рук, ног или других частей тела во время повседневной деятельности. В частности, человеческое тело является источником кинетической и тепловой энергии. Кинетическая энергия преобразуется в электричество с помощью электромагнитных, электростатических и пьезоэлектрических генераторов.
Преобразователи энергии тела человека также различаются размерами, массой и вырабатываемой мощностью, в соответствии с данными параметрами они могут взаимодействовать с конкретными имплантируемыми медицинскими приборами. Зачастую объем, занимаемый преобразователем, не должен превышать 
.
Доступная для преобразования энергия зависит от положения генератора в теле человека. В частности, наиболее подходящими местами расположения пьезоэлектрических преобразователей являются тазобедренный, коленный и голеностопный суставы, где они генерируют мощность до 7,2 мВт. Этой мощности достаточно для энергообеспечения самых распространенных имплантируемых медицинских приборов.
Ключевые слова: аккумулирование энергии, имплантируемые биомедицинские устройства, кинетическая энергия, безбатарейные устройства, электромагнитные генераторы, электростатические генераторы, пьезоэлектрические генераторы, термоэлектрические генераторы
В двадцать первом веке произошел невероятный прогресс в различных областях науки и техники, что оказало немалое влияние и на развитие медицины. С достижениями в электронике и нанотехнологиях появляются новые модели и разновидности имплантируемых приборов.
Имплантат представляет собой медицинский прибор, созданный для замены отсутствующей биологической структуры или поддержания функциональности поврежденной биологической структуры. Поверхность имплантатов, которые контактируют с биологическими тканями человека, может быть изготовлена из биомедицинского материала, такого как титан, силикон, или апатит [1].
Подходы к энергообеспечению имплантируемых медицинских устройств делятся на две основные группы:
- имплантируемые медицинские устройства, которые работают независимо от внешнего источника питания, с- или без- одноразовой батареи, работающие продолжительное время;
- имплантируемые медицинские устройств, работающие от батареи либо без неё, но получающие при этом мощность от внешнего блока питания. На рисунке 1 представлены эти две группы.
Рис. 1. Классификация методов энергообеспечения имплантируемых медицинских устройств
Вместо того, чтобы эксплуатировать потенциальные источники в теле человека, энергия может подаваться в имплантируемых медицинских устройствам со внешнего блока питания, либо подзаряжать время от времени аккумулятор, либо непрерывно обеспечивать энергией безбатарейный имплантат. Это может быть сделано оптическим, ультразвуковым или электромагнитным методами. Метод оптической зарядки состоит из фотоэлемента в имплантируемых медицинских устройствах, который получает энергию от лазерного диода, как правило, работающего в ближайшей к инфракрасной или в инфракрасной области спектра. Ультразвуковые устройства привлекают все больший интерес в последние годы из-за их сравнительной эффективности, компактности и устойчивости к электромагнитному излучению. Тем не менее, индуктивная передача энергии через ткани тела в настоящее время является единственным жизнеспособным решением для обеспечения достаточной мощности для различных видов имплантируемых медицинских устройств с миниатюрными размерами. В основе данного метода лежит пара катушек, с помощью которых мощность может быть передана посредством взаимной индуктивной связи.
Разработка и модернизация имплантируемых устройств для непрерывного контроля и мониторинга состояния организма является одним из основных направлений развития современной медицинской электроники. Основным источником электрической энергии для имплантируемых устройств в настоящее время являются литиевые батареи. Несмотря на достаточно хорошие операционные характеристики, элементы питания во многих случаях являются самой большой (обычно более 50 % занимает батарея) и тяжелой частью беспроводных имплантируемых устройств, функционирующих внутри тела человека. Кроме того, срок работы современных литиевых батарей ограничен пятью годами, после чего источник энергии должен быть заменен при помощи опасных и дорогостоящих хирургических процедур.
С каждым годом разрабатываются имплантируемые устройства меньших размеров, способные функционировать при более низкой мощности. Это даёт почву для применения альтернативных методов энергообеспечения медицинских имплантатов, таких как методы преобразования энергии тела человека в электричество. Одним из основных недостатков энергообеспечения имплантатов с помощью энергии человека является малая получаемая мощность, до 100 мкВт. Однако данный недостаток успешно компенсируется значительными преимуществами методов использования энергии тела человека относительно методов, которые используются на данный момент.
Деятельность человека является источником кинетической и тепловой энергии. В зависимости от вида деятельности и подвижности человека, предоставляется возможным аккумулировать определённое количество электрической энергии. Используя энергию спящего человека, можно собрать 81 мВт мощности, а человека во время движения — 1630 мВт [2]. Организм человека может поддерживать температуру тела даже при изменении температуры окружающего воздуха. Именно это свойство поддерживает обменные процессы, необходимые для производства энергии, даже если окружающая температура очень низкая.
Кинетическая энергия является легкодоступным источником энергии, как для имплантируемых устройств, так и для приборов, расположенных вне тела человека. Преобразовать кинетическую энергию тела человека в электрическую можно с помощью пьезоэлектрического, электромагнитного или электростатического генератора [3].
Прямой пьезоэлектрический эффект предусматривает, что электрический заряд генерируется, когда пьезогенератор подвергается механической нагрузке: сжатию, растяжению или вибрации [4]. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразования изображена на рисунке 2.
Рис. 2. Эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя
В области энергообеспечения медицинских имплантатов может быть использован квадратный пьезоэлемент PZT-5A для получения максимальной мощности 2,3 мкВт от колебаний артериального давления [5]. Также для этой цели могут быть использованы круглые и квадратные пластины из поливинилиденфторида [6]. Керамические пьезоэлементы, встроенные в ортопедические имплантаты, способны вырабатывать мощность 4,8 мВт [7].
Разработан наногенератор, который преобразует механическую энергию сокращения мышц тела человека в электричество. В его устройство входят нанопроволоки из оксида цинка — материала, который является пьезоэлектриком и полупроводником. Электричество генерируется, когда нанопроволоки наклоняются и возвращаются в исходное положение. Нанопроволки из оксида цинка могут быть согнуты на угол до 50 ° без повреждения. Оксид цинка нетоксичен в отличие от компонентов батареи, что делает его идеальным для использования внутри человеческого тела. Также в качестве источника энергии можно использовать пульсацию вен. С её помощью, можно обеспечивать энергией датчики, предназначенные для мониторинга жизненно важных функций, таких как сердцебиение и кровяное давление [8]. Основной проблемой аккумулирования энергии с помощью пьезоэлементов является большой размер пластин.
Электростатические генераторы аккумулируют энергию с помощью электростатической индукции. Эти устройства преобразуют механическую вибрацию в электрическую энергию путем перемещения преобразователя против электрического поля.
Кинетические генераторы, основанные на электростатических преобразователях, используют переменные конденсаторы. Положение пластин может быть изменено под действием внешней силы. При постоянном заряде внешняя сила изменяет напряжение на конденсаторе. При фиксированном напряжении, движение пластины генерирует ток через конденсатор. На рисунке 3 приведен структура устройства электростатического преобразователя. Резонансная структура вибрации расширяется и сжимает переменный конденсатор, что соответствует малой и большой ёмкости.
Рис. 3. Структура электростатического генератора энергии
Разработан электростатический генератор мощностью 58 мкВт, который собирает энергию ударов сердца конденсатором с переменной емкостью в диапазоне от 32 до 200 нФ [9].
Для применения в медицинских имплантируемых приборах возможно использование нерезонансных микроэлектромеханических систем электростатического генератора, которые преобразуют один сердечный удар в 80 мкВт мощности. Этот генератор работает в широком диапазоне частот колебаний при постоянном заряде. Также существует пьезоэлектрический генератор из цирконата-титаната свинца, который способен генерировать 40 мкВт мощности [10]. Безкорпусный генератор из нитрида алюминия способен вырабатывать мощность величиной 60 мкВт [11].
Механические генераторы, которые производят электромагнитную энергию, делятся на два типа. Первый тип использует относительное движение, где генерирующая система закреплена на подвижной части, а второй тип использует движение неизменяемого тела дисбалансом масс. Рисунок 4 показывает типичное устройство этих генераторов. По результатам исследования второй тип более восприимчив к вибрационным движениям, чем к постоянным, поскольку он использует инерцию, то есть сопротивление движению [12].
Рис. 4. Типы электромагнитных генераторов: А — с относительным движением; Б — с тяжелым телом
Электромагнитные преобразователи могут вызвать изменения магнитного потока при вращении цепи вдоль оси, тем самым меняя поверхность потока. Ранее этот метод использовали, чтобы обеспечивать энергией кварцевые наручные часы [13].
Возможна реализация электромагнитного генератора с управляемым напряжением резистором, который преобразует энергию, вырабатываемую при ходьбе в 400 мкВт мощности [14].
В 2009 году был изобретен генератор осевого потока, который преобразует энергию с помощью электромагнитной плоской катушки, изображенной на рисунке 5. Этот генератор включает зубчатообразную плоскую катушку и эксцентричное кольцо. Устройство фиксируется на лодыжке и аккумулирует 3,9 мкВт мощности, которой может быть достаточно для энергообеспечения маломощных биомедицинских устройств [15].
Также возможно генерировать энергию с помощью системы состоящей из микрогенератора с редуктором, магнита и катушки с двумя фазами возбуждения, которая устанавливается вне организма человека. При возбуждении катушки, вращающееся магнитное поле воздействует на магнит, имплантируемый в организм человека, и таким образом получается микрогенератор энергии. Скорость вращения микрогенератора примерно в 100 раз выше, чем скорость вращения магнита, поскольку система передачи установлена между ними. Таким образом, вырабатывается количество энергии, достаточное для энергообеспечения кардиостимулятора [16].
Рис. 5. Объемное изображение генератора осевого тока
Аккумулирование тепловой энергии даёт возможность получить небольшое количество энергии из-за разницы температур (эффект Зеебека), которой может быть достаточно для питания медицинских имплантатов, таких как имплантированных нервных и мышечных стимуляторов, кохлеарных имплантатов и беспроводных устройств мониторинга состояния здоровья пациента.
Термоэлектрический генератор состоит из множества термопар, соединенных последовательно с высокой термостойкостью, как показано на рисунке 6. Эта структура идеально подходит для аккумулирования энергии тела человека, однако эффективность Карно (1) ограничивает процент извлекаемой энергии (
.
(1)
Например, 
=1,6 % при комнатной температуре. Когда градиент температуры (разность горячей и холодной области 
термоэлектрического генератора) равен 5 K, лучшие термоэлектрические материалы достижения имеют максимальные значения эффективности Карно до 17 % [17].
Рис. 6. Термоэлектрическая батарея, термопара и эквивалентная схема
Диапазон мощности термоэлектрических преобразователей низок и, как правило, не превышает несколько сотен микроватт. К примеру, был изобретён термоэлектрический преобразователь мощностью 1,5 мкВт и площадью 0,19 
при тепловом градиенте, равном 5 K [18]. Также было создано коммерчески доступное устройство, которое может производить до 30 мкВт мощности (ток 10 А с падением напряжения 3 В) с разностью температур, равной 5 К [19]. Это устройство имеет объем 95 
и вес 0,23 г. Небольшое количество получаемой энергии является основной проблемой данного метода.
В имплантируемых устройствах самые важные и неотъемлемые параметры — комфорт и безопасность пациентов. Каждый из описанных методов энергообеспечения медицинских имплантатов имеет свои недостатки, которые ограничивают их применение, но если доработать эти методы таким образом, чтобы они генерировали энергию более эффективно, то они смогут использоваться даже для обеспечения функционирования имплантируемых медицинских устройств, которые более требовательны к количеству получаемой мощности.
Пьезоэлектрические модули сложно интегрировать с микросистемами, однако они могут подавать достаточно высокое напряжение, не имеют механического ограничителя и обеспечивают наибольшую интенсивность энергии. Генераторы, работающие на основе электростатической индукции, напротив, легко интегрируются с электроникой и микросистемами, но им необходимы отдельный источник напряжения и механический ограничитель. Низкое выходное напряжение генераторов электростатической индукции накладывает большие ограничения на их использование для обеспечения энергией медицинских имплантатов. Генераторы на основе магнитной индукции не нуждаются в механическом ограничителе, однако их трудно интегрировать с микросистемами, и они аккумулируют энергию только во время ходьбы человека. Термоэлектрические генераторы аккумулируют малую мощность, что является их основным недостатком, а также термопары должны быть расположены располагаться в непосредственной близости к потребляющему энергию устройству. При разрешении проблемы недостаточной мощности, термогенераторы могут стать заменой батареям в медицинских имплантатах.
На данный момент медицинские имплантаты с малой потребляемой мощностью находятся в стадии активной разработки, в то время как некоторые термоэлектрические генераторы уже достаточно давно существуют в свободной продаже. В России были проведены несколько экспериментальных исследований для оценки целесообразности использования термоэлектрических генераторов, используемых для питания имплантируемых медицинских приборов, по результатам которых выявлено, что термогенераторы аккумулируют недостаточное количество энергии [22]. Однако, физиологические характеристики, такие как рост, вес, содержание жира в организме могут увеличить температурный градиент в подкожных слоях тела.
Существующие методы энергообеспечения медицинских имплантатов имеют множество недостатков, которые зачастую ограничивают их применение, но если правильно использовать энергию тела человека для обеспечения их функционирования, то имплантируемые медицинские будут иметь меньше противопоказаний, не будут вызывать дискомфорт у пациента, а также уменьшатся их вес и объем.
Литература:
- Wong J. Y., Bronzino J. D., Peterson, D. R. Biomaterials: Principles and Practices // Boca Raton. — FL CRC Press. — 2012.
- Paulo J., Gaspar P. D. Review and future trend of energy harvesting methods for portable medical devices // In proceedings of the world congress on engineering. — 2010.
3. Jaeseok Y., Shwetak N., Patel M., Reynolds S., Gregory A. D. Design and performance of an optimal inertial power harvester for human-powered devices // Institute of electrical and electronics engineers Trans mobile comput. — 2011. — Vol. 10. — P. 669–683.
4. Casimiro F., Gaspar, P.D., Gonçalves aplicação do princípio piezoeléctrico no desenvolvimento de pavimentos para aproveitamento energético // In III Conferência nacional em mecânica de fluidos termodinâmica e energia. — 2009. — P. 19–23.
5. Ramsay M. J., Clark W. W. Piezoelectric energy harvesting for biomicroelectromechanical systems applications // In proceeding of the smart structures and materials. — Newport beach. — 2001. — P. 429–438.
6. Sohn J. W., Choi S. B., Lee D. Y. An investigation on piezoelectric energy harvesting for microelectromechanical systems power sources // Journal of mechanical engineering and sciences. — 2005. — P. 429–436.
7. Platt S. R., Farritor S., Garvin K., Haider H. The use of piezoelectric ceramics for electric power generation within orthopedic implants // Institute of electrical and electronics engineers american society of mechanical engineers trans mechatron. — 2005. — Vol. 4. — P. 455–461.
8. Sohn J. W., Choi S. B., Lee D. Y. An investigation on piezoelectric energy harvesting for microelectromechanical systems power sources // Journal of mechanical engineering and sciences. — 2005. — P. 429–436.
9. Tashiro R. N., Kabei K., Katayama Y., Ishizuka F., Tsuboi K., Tsuchiya B. Development of an electrostatic generator that harnesses the motion of a living body // International journal of the japan society for mechanical engineering. — 2000. — Vol. 43. — P. 916–922.
10. Miao P., Mitcheson P., Holmes A., Yeatman E., Green T., Stark B. Microelectromechanical systems inertial power generators for biomedical applications // Microsyst technol. — 2006. — Vol 12. — P.1079–1083.
11. Elfrink R., Kamel T. M., Goedbloed M., Matova S., Hohlfeld D., Andel V. Y., Schaijk V. R. Vibration energy harvesting with aluminum nitride-based piezoelectric devices // Journal of micromechanics and microengineering. — 2009.
12. Hosaka H. Personal electric power generation technology for portable information equipamention // Micro Mechatronics. — 2003. — Vol. 3. — P. 38–46.
13. Hayakawa M. A study of the new energy system for quartz watches. The effective circuit for the system // In congres europeen de chronomtrie. — P. 61–85.
14. Amirtharajah R., Chandrakasan A. Self-powered signal processing using vibration-based power generation // Institute of electrical and electronics engineers Journal of solid state circuits. — 1998. — P. 687–695.
15. Edwar R., Robert O.W, Michael R. N. Body Motion for Powering Biomedical Devices // In proceeding of the 31st annual international conference of the Institute of electrical and electronics engineers engineering in medicine and biology society. — Minnesota, Minneapolis, USA. — 2009. — P.2752–2755.
16. Amirtharajah R., Chandrakasan A. Self-powered signal processing using vibration-based power generation // Institute of electrical and electronics engineers Journal of solid state circuits. — 1998. — P. 687–695.
17. Rowe D. M. Handbook of thermoelectrics // New York, London, Tokyo. — CRC Press Boca Raton. — 2005.
18. Stark I., Stordeur M. New micro thermoelectric devices based on bismuth telluride-type thin solid films // In Proceeding of the 18th International conference on thermoelectrics. — USA. — 1999. — P. 465–472.
19. Soykan O. Power sources for implantable medical devices // Med. Device Manuf. Technol. — 2002. — № 76.
