«Дальнобойность» беспроводных имплантатов увеличат в три раза

D. Nikolayev / University of Rennes 1

Физики определили оптимальную частоту излучения, которую электромагнитный имплантат должен использовать для эффективной передачи сигнала сквозь органы и ткани человеческого тела. Численное моделирование показало, что за счет использования электромагнитных волн в гигагерцовом диапазоне, эффективность передачи сигнала можно поднять примерно на порядок по сравнению с современными устройствами. При этом максимальное расстояние, на которое можно передать сигнал, увеличится в три раза, пишут ученые в Physical Review Applied.

Возможность беспроводной передачи электромагнитных сигналов через ткани организма — одно из необходимых условий работы электромагнитных имплантатов, которые вводят в человеческое тело для мониторинга активности различных органов и диагностики заболеваний. В частности, такие устройства используют для изучения активности мозга или анализа крови. При этом расстояние, на которое можно передавать сигналы между имплантатом, находящимся внутри человеческого тела, и детектором, который расположен снаружи, определяет возможность получения необходимой информации и управления устройством. Зависит это расстояние от электромагнитных свойств органов и тканей, через которые должна пройти электромагнитная волна, а также параметров самого сигнала: его интенсивности и длины волны.

Физики из Бельгии, Франции и Чехии под руководством Дениса Николаева (Denys Nikolayev) из Реннского университета решили определить оптимальные параметры электромагнитного излучения, которые используются для передачи сигнала от имплантатов, расположенных на разном расстоянии от поверхности тела. Для определения оптимальных условий передачи сигнала ученые провели численное моделирование распространения электромагнитной волны от устройства, которое находится в заданной точке внутри человеческого тела, в направлении детектора.

Всего авторы работы смоделировали четыре конфигурации двумерных систем разной сложности и с разным соответствием реальной анатомии человеческого тела: от простейшего случая, когда когда источник сигнала находится в мышце, покрытой слоем жировой ткани и кожей, до значительно более сложной модели брюшной полости, которая включает в себя кости, почки и органы желудочно-кишечного тракта. Для каждой из моделируемых тканей было известно распределение их электромагнитных свойств, в первую очередь диэлектрическая и магнитная проницаемость с учетом ионного транспорта, процессов перезарядки мембран и поляризуемости (для упрощения свойства каждой ткани в модели принимались изотропными).

Затухание сигнала при распространении через человеческое тело может происходить по нескольким механизмам: отражение на границах между различными тканями, потери за счет поляризации и проводимости тканей, а также возможное возбуждение резонансных мод на некоторых органах и полостях тела, которые также снижают эффективность передачи сигнала. Участие всех перечисленных механизмов в общем снижении интенсивности электромагнитного сигнала сильно зависит от частоты излучения, поэтому эти процессы физики смоделировали численно и попытались определить, при какой частоте для разных конфигураций системы интенсивность сигнала при прохождении через человеческое тело будет падать меньше всего.

Оказалось, что эффективность передачи сигнала при определенной частоте достигает максимума, и точное значение этой оптимальной частоты сигнала зависит как от глубины, на которой находится медицинское устройство внутри тела, так и от толщины слоев различных тканей, через которые сигналу приходится проходить. Так, для имплантатов, которые находятся на глубине больше трех сантиметров, оптимальную частоту можно примерно определить как 2,2×107/d, где d — глубина имплантации в метрах. Для подкожных имплантатов увеличивается роль интерференции с поверхностной волной, которая возбуждается на границе тела с внешней средой, и оптимальная частота сигнала находится в диапазоне от 0,2 до 3 гигагерц.

При этом ученые отмечают, что даже при оптимальной частоте излучения значительная часть передаваемого сигнала (от 80 до 99 процентов) теряется из-за отражения на границе тела с окружающей средой. Уменьшить эти потери можно за счет использования поляризованного излучения, но не больше, чем на несколько процентов.

По словам авторов работы, сейчас для передачи сигналов от медицинских имплантатов обычно используют электромагнитное излучение мегагерцового диапазона. Однако результаты работы показывают, что при оптимальных условиях: глубине имплантации устройства, частоты, поляризации и направленности сигнала — эффективность его передачи по сравнению с современными устройствами можно увеличить более, чем на порядок. А такое увеличение приведет и к возрастанию максимального расстояния между имплантатом и детектором сигнала до трех раз.

Одна из наиболее важных областей, в которых используются электрические имплантаты, — мониторинг и управление мозговой активности. Так, с помощью имплантата, который представляет собой решетку из электродов, можно следить за активностью отдельных нейронов у больных эпилепсией. А совсем небольшие гибкие устройства предлагают использовать для блокировки поступающих в мозг болевых сигналов. Кроме медицинских приложений, подкожные имплантаты, которые вводятся на небольшую глубину, можно использовать для приема, передачи и преобразования электрических сигналов.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.