超音波

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16174 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ワイヤレス電力伝送は、埋め込み型生物医学機器に電力を供給するための技術の 1 つです。 安全性と設置面積の問題から、ワイヤレス電力伝送デバイスの生体適合性と CMOS 互換性が強く望まれています。 この論文では、埋め込み型アプリケーションに向けて、AlN 圧電微細加工超音波トランスデューサ (PMUT) に基づく超音波誘導ワイヤレス電源を紹介します。 ワイヤレス電源には、ワイヤレス電力伝送、電力管理、およびエネルギー貯蔵機能が統合されています。 PMUT アレイはパッシブ ワイヤレス パワー レシーバーとして使用され、続いて電気インピーダンス マッチング ネットワークと電圧乗算器として効率的な電力伝送と整流が行われます。 ワイヤレス受信機の出力強度は、FDA の安全制限を下回る入射超音波パワーで 7.36 μW/mm2 に達します。 ワイヤレス電源の出力電力は 18.8 μW に達し、電源管理後に 100 μF コンデンサが 3.19 V まで完全に充電されます。これは、神経電気刺激、バイオセンサー、体内通信など、多くの低電力埋め込み型生物医学的デバイスに電力を供給するのに十分です。アプリケーション。 ワイヤレス給電は直径1cmのPCBに実装されています。 一般的に使用されているPZTと比較してAlN薄膜の生体適合性とCMOS互換性により、提案されたソリューションは、将来的にモノリシックチップ上にすべての機能を組み込んださらなる開発により、より安全で超小型化されたワイヤレス電源への道を開きます。

生物医学、ナノテクノロジー、マイクロエレクトロニクスの最近の進歩に伴い、植込み型生物医学装置 (IBD) のワイヤレス電源の需要が急速に増加しています1。 IBD は、神経筋刺激装置、人工視覚装置、心臓ペースメーカー、心臓除細動器、人工内耳、pH モニター、血圧モニター、胃刺激装置など、日常生活に広く応用されています。 これらのデバイスは、リアルタイムの診断、治療、監視機能を提供し、患者の生活の質を向上させることができます。 現在、ほとんどの埋め込み型生物医学機器は依然としてバッテリーに依存して人体内で動作します。 バッテリー技術は近年目覚ましい進歩を遂げていますが 2,3、この技術には依然として明らかな欠点があります。 バッテリーには寿命が限られており、重量と体積が比較的大きく、有毒物質が漏洩する可能性があり、組み込みが困難です。 治療中の IBD メンテナンスのためにバッテリーを頻繁に交換すると、患者に不便を与えたり、怪我をしたりする可能性があります。

これらの問題を解決するために、IBD からバッテリーを取り外したり、バッテリーの寿命を延ばしたりする研究が行われてきました。 ワイヤレス電力伝送 (WPT) は、IBD に電力を供給するための技術の 1 つです。 IBD に電力を供給するために、主に誘導結合方式、音響方式、電磁放射方式など、いくつかの WPT 戦略が提案されています4。 電磁放射 WPT は、送信アンテナと受信アンテナを使用して、電磁波を通じてエネルギーを転送します5。 ただし、電磁波は組織を過剰に加熱する可能性があり、これらの電磁波は人間の組織内で大きく減衰します。 さらに、電磁波の波長が長いため、受信機のサイズが比較的大きくなります。 誘導結合 WPT は 2 つの結合コイルに依存します6。 この方法は、近距離場では高い効率を達成しますが、遠距離場では効率が急激に低下するため、IBD の使用可能な深さが制限されます。 音響WPTは通常、受電器として超音波トランスデューサを採用します。 他の 2 つの方法と比較して、波長が短く、体内での減衰が少ないため、受信機を小型化し、より深い浸透を実現できます4。 さらに、組織の加熱と電磁干渉も最小限に抑えられます7。