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心脏起搏器是一种植入于体内的电子治疗仪器,通过脉冲发生器发放由电池提供能量的电脉冲,通过导线电极的传导,刺激电极所接触的心肌,使心脏激动和收缩,从而达到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍的目的。1958年第一台心脏起搏器植入人体以来,起搏器制造技术和工艺快速发展,功能日趋完善。在应用起搏器成功地治疗缓慢性心律失常、挽救了成千上万患者生命的同时,起搏器也开始应用到快速性心律失常及非心电性疾病,如预防阵发性房性快速心律失常、颈动脉窦晕厥、双室同步治疗药物难治性充血性心力衰竭等。不过心脏起搏器仍然存在两个比较要命的缺点,一个是比较笨重,另一个需要电池。也许这种缺点不久将会被克服。
科学家发明的这种无线心脏起搏器只有大米粒大小,已经成功按照在兔子心脏上,这将是这一技术的重要突破。如果这个起搏器能持续工作,那么新一代更小更安全的无线心脏起搏器将在今后5-10年内进入市场。
目前的起搏器、人工耳蜗等植入式医疗电子装置都不仅需要电池提供电能,而且需要电线链接的电极,这导致这类装置体积比较大,而且需要定期更换电池或电线,安装手术导致的组织创伤也比较大。科学家已经开发出通过导管安装的小型装置,不过从来没有无电池无线起搏器问世。
上世纪60年代,有人提出用体外Tesla线圈给起搏器无线提供能量的设想,这种设想需要体外使用电池驱动线圈电流,这一个想法听起来不错,似乎可以解决问题。但是要将起搏器启动需要通过胸部传递100瓦电能,这是能将皮肤烧伤的能量。
安全性成为制造这种无线起搏器的关键,斯坦福大学电子工程专业研究生JohnHo对这个技术发起挑战。关键设计是要有理想的能量传递效率,经过一系列研究,他和同事开始意识到Tesla线圈并不是理想的选择(这是他们取得成功的关键),因为Tesla线圈会朝向许多方向传递能量,被起搏器接受到的能量只是其中一小部分,为了达到起搏器需要的功率,只能增加Tesla线圈的电流,这会造成线圈本身发热导致危险。为克服这一缺陷,需要设计出能聚焦能量的设备(模仿伽马刀不就可以?)。
意识到问题和解决问题的方向,会同高通公司工程师SanghoekKim、斯坦福电子工程师Ada Poon,Ho等去年开始重新设计线圈。经过无数次的失败,最终终于成功制造出这种设备(不懂电子技术,请大家自己读Theyfirst devised a series of equations that the electrical currents in an optimaltransmitter would have to satisfy and showed that the ideal currents followedsemicircular paths and switched back and forth 2 billion times a second, aboutthe same frequency at which cellphones broadcast. Based on that observation,they played around until they found a transmitter design that came close toproducing the optimal electrical currents: a 6-centimeter square plate withfour trident-shaped cutouts arranged in a circle, operating at 1.6 gigahertz,and, like earlier designs, placed on the skin above an implant. )
现在Ho小组已经制造出模型装置,可以给2毫米长的心脏和大脑刺激器传递电能,检测发现这种新装置比Tesla线圈节省用电100倍,今天他们将这一发明发表在PNAS,并且用兔子证明可以成功控制心脏节律,而不会导致皮肤烧伤。
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GMT+8, 2024-9-1 18:17
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