Физики из Швеции, Бельгии и Франции подобрали форму беспроводного имплантата, эффективность излучения которого составляет 2,5 процента — в пять раз больше, чем эффективность существующих приборов. Для этого ученые численно смоделировали излучение прибора и эмпирически установили несколько зависимостей, которые помогли найти оптимальную форму. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Миниатюрные приборы, вживляемые в тело и управляемые дистанционно, играют важную роль в медицине и диагностике. В настоящее время ученые уже применяют дистанционно управляемые приборы для доставки лекарства в пораженные органы, исследований активности мозга и анализа крови. Кроме того, теоретически с помощью подобных приборов можно имитировать импульсы нейронов — следовательно, лечить сердечно-сосудистые заболевания и аутоиммунные расстройства, а также подавлять реакцию отторжения трансплантированных тканей.
К сожалению, применение беспроводных имплантатов на практике сильно ограничено низкой эффективностью передачи энергии. Грубо говоря, эффективность — это отношение энергии, полученной приемником, к энергии, потраченной на отправку сообщения. Для существующих беспроводных имплантатов это отношение находится на уровне 0,5 процента. В частности, это ограничение не позволяет реализовать беспроводные нейронные интерфейсы, имплантировать в тело миниатюрную лабораторию-на-чипе (lab-on-chip) или построить хирургических микророботов. В основном низкая эффективность дистанционных устройств связана с их небольшим размером: чтобы сигнал не затух по пути к поверхности тела, он должен быть достаточно сильным, однако разместить в маленькой капсуле мощный источник и большую антенну невозможно. Поэтому единственный способ повысить эффективность дистанционно управляемого имплантата — это правильно подобрать его геометрию и частоту излучения.
Группа ученых под руководством Дениса Николаева (Denys Nikolayev) показала, что оптимальной формой для дистанционного имплантата является цилиндр, длина которого примерно в три раза больше радиуса. Для этого ученые «уравновесили» два основных процесса, которые определяют эффективность передачи энергии. С одной стороны, магнитная проницаемость практически всех живых тканей близка к единице — следовательно, если излучение прибора будет TE-поляризовано, то потери энергии уменьшатся. С другой стороны, эффективность передачи TM-поляризованных волн можно повысить с помощью диэлектрической нагрузки (dielectric loading). Излучение прибора, который спроектировали ученые, состояло из смеси поляризаций, что позволяло расширить диапазон частот эффективной передачи энергии.
Сначала ученые численно смоделировали поведение прибора, который представлял собой цилиндрическую металлическую оболочку переменной длины и постоянного радиуса, окруженную тонким слоем диэлектрика. Чтобы сымитировать человеческое тело, физики окружили капсулу сферами, которые имели диэлектрическую проницаемость и проводимость мышц, жира и кожи. В зависимости от направления токов, текущих по поверхности цилиндра, излучение прибора было TE- или TM-поляризовано. Чтобы выяснить, как поле распространяется в образце, ученые составили и численно решили систему дифференциальных уравнений в частных производных. Наконец, с помощью теоремы Пойнтинга физики нашли поток энергии, испущенный прибором и дошедший до поверхности тела, и оценили эффективность излучения прибора. Отражением излучения от кожи исследователи пренебрегли.
В результате ученые выявили несколько зависимостей, определяющих эффективность излучения. Во-первых, для обеих поляризаций они рассчитали, как оптимальная частота излучения зависит от глубины залегания прибора. В среднем, оптимальная частота составляла примерно один гигагерц. Во-вторых, физики показали, что на оптимальной частоте передавать TM-волны более выгодно, чем TE-волны, хотя на большой глубине различия между поляризациями сглаживаются. В-третьих, исследователи заметили, что на частотах меньше оптимальной эффективность передачи TE-волн выше. Наконец, ученые эмпирически установили, как эффективность прибора зависит от соотношения между его длиной и радиусом. Оказалось, что для передачи TM-излучения выгодно как можно сильнее вытягивать цилиндр, а для передачи TE-излучения отношение L/R нужно держать в диапазоне между 1,5 и 3.
Отталкиваясь от полученных зависимостей, ученые спроектировали прибор, эффективность излучения которого составляет около 2,5 процентов. Это более чем в пять раз превосходит существующие устройства. Более того, оптимальная частота работы прибора составляет примерно 1,4 гигагерц, что попадает в диапазон WMTS (Wireless Medical Telemetry Service), зарезервированный правительством США для медицинских приборов. Поэтому ученые надеются, что их разработка найдет практические применения.
В прошлом году мы уже писали про работу группы Николаева. Тогда ученые установили оптимальную частоту, при которой достигается максимум эффективности передачи сигнала беспроводным имплантатом. Это позволило на порядок повысить эффективность передачи и почти в три раза увеличить «дальнобойность» имплантатов.
Основной сферой применения беспроводных имплантатов является медицина, однако некоторые энтузиасты-биохакеры вживляют себе в тело RFID-чипы просто для удобства. Подробнее про использование RFID-чипов биохакерами — и причины, по которым это явление не стало повсеместным — можно прочитать в материале «Чип тебе в руку».
Дмитрий Трунин