Медицинская аппаратура скоро будет работать на энергии, вырабатываемой нашим ухом!

14.11.2012

Учёным впервые удалось заставить работать имплантированное электронное устройство от природного источника энергии – «батарейки», которая расположена в нашем внутреннем ухе. 
Глубоко во внутреннем ухе всех млекопитающих покоится «природная батарейка» - полость, наполненная ионами, которые производят электрический потенциал, позволяющий передавать сигналы по нервной системе. В рамках научного исследования, результаты которого были опубликованы в американском журнале «Природные биотехнологии», группа учёных Массачусетского университета, Массачусетской ЛОР клиники и факультета здравоохранения Гарвардского университета сделали первое в своём роде открытие – оказывается, эта «батарейка» нашего тела способна обеспечить питанием имплантированное электронное устройство – и причём не нанося совершенно никакого вреда слуху человека! 
Имплантируемые устройства, о которых было упомянуто, могут контролировать биологическую активность людей с какими-либо нарушениями слуха или чувства равновесия или выявлять реакцию организма на тот или иной метод лечения. Да и сами по себе они вполне могут послужить методом лечения. 
В ходе научного эксперимента, который проводили Константина Станкович, врач-отоларинголог Массачусетской ЛОР клиники и выпускник факультета здравоохранения Гарвардского университета Эндрю Лайсагт, в «природную батарейку», расположенную во внутреннем ухе морских свинок, были помещены электроды. К электродам, в свою очередь, были прикреплены маломощные электрические устройства, разработанные лабораторией микротехнологий Массачусетского университета. После имплантации тесты на проверку слуха показали, что слух морских свинок нисколько не пострадал, в то время как имплантированные устройства могли передавать внешнему получателю данные о химической активности, протекавшей внутри уха. 
«В прошлом считалось, что электрический потенциал нашего организма не может служить источником имплантируемых устройств, т.к. пытаться воздействовать на него тем или иным образом может быть очень опасно для самого организма», - говорит Станкович. «Сам факт существования «батарейки» внутри нашего тела известен уже около 60 лет, как и то, что её работа неразрывно связана с нашим слухом. Однако никто до сих пор не пытался использовать эту батарейку для того, чтобы она могла обеспечивать энергией устройства, полезные для нас самих же». 
Наше ухо преобразует механические сигналы – вибрацию барабанной перепонки – в электрохимические, которые, в свою очередь, могут быть обработаны нашим мозгом; и та самая «батарейка» как раз  и служит источником этих сигналов. Она расположена в так называемой улитке уха (cochlea) и отделена от неё перепонкой, часть клеток которой служит для нагнетания ионов. Дисбаланс между ионами натрия и ионами калия в совокупности с работой этих клеток создаёт электрическое напряжение. 
Хотя электрическое напряжение, создаваемое во внутреннем ухе и выше, чем в любой другой части нашего организма (не считая напряжения, вырабатываемого внутри строго определённых типов клеток), само по себе оно очень низкое. Кроме того, любое имплантируемое устройство может использовать лишь малую часть энергии, содержащейся в «батарейке» - иначе есть риск повредить слух. Всё, что остаётся учёным – это использовать маломощные электро-чипы, чем в данный момент и занимается Ананта Чандракасан вместе со своей научной группой, работающей в лабораториии микротехнологий Массачусетского университета. 
Помимо Ананты, декана факультета Электрической инженерии и информатики Массачусетского университета, выпускник факультета Патрик Мерсир, в настоящее время носящий учёное звание доцента и работающий в Калифорнийском университете (расположенном в Сан-Диего, США) и Саурав Бандийопадхьяй, выпускник университета. Учёные в качестве эксперимента решили поместить внутрь чипа маломощный радиопередатчик. Ведь, если поразмыслить, ни от какого устройства, помещённого в организм человека для изучения состояния его здоровья, просто не будет никакого толку, если с него невозможно снять показания. 
Хотя радиосвязь намного более эффективна, чем, например, сотовая связь, к сожалению, миниатюрный радиопередатчик не может работать напрямую от электроэнергии, вырабатываемой внутренним ухом. Поэтому учёным пришлось добавить к нему преобразователь напряжения (в виде небольшой микросхемы) – по внешнему виду напоминающий тот преобразователь, который находится внутри кабеля питания любого электрического прибора в нашем обиходе. Принцип действия преобразователя основан на том, что он в течение некоторого времени накапливает напряжение в электроприборе. Напряжению, поступающему из «батарейки» во внутреннем ухе, требуется в среднем от 40 секунд до 4 минут для того, чтобы обеспечить питанием радиопередатчик. А частота электрических сигналов сама по себе служит характеристикой электрохимических процессов, протекающих во внутреннем ухе человека. 
Устройство радиопередатчика было предельно упрощено учёными для того, чтобы сократить его энергопотребление, однако ему всё равно было недостаточно той энергии, которую выделяет внутреннее ухо. В принципе, как только активизировалась преобразующая микросхема, она накапливала необходимое количество энергии, но проблема была в том, чтобы запитать саму эту микросхему. 
Учёные Массачусетской лаборатории решили эту проблему следующим образом: на микросхему подали кратковременное радиоволновое излучение. «Необходимо дать некий толчок устройству для того, чтобы оно заработало», - говорит Чандракасан. «Как только это сделано, работу устройства больше не нужно контролировать. Скорее даже наоборот, любое постороннее вмешательство может нарушить его работу». 
Затем Станкович (который, к слову, является также и сотрудником факультета здравоохранения Гарвардского университета) и Лайсагт провели следующий эксперимент: они разместили на обеих сторонах перепонки внутреннего уха (напомним, эксперимент проводился с морскими свинками) некоторое количество электродов, подключив их всё к тому же чипу, что был разработан их коллегами. Заметим, что, хотя чип был достаточным по размерам для того, чтобы уместиться в полости внутреннего уха, тем не менее, внутрь организма свинок его решили не вводить. 
Клифф Мегериан, декан факультета Отоларингологии Университета Кейс Вестерн Резерв отметил, что результаты проведённого исследования могут быть применены сразу в трёх сферах: имплантации, а также диагностике и возможном лечении проблем со слухом при помощи устройств-имплантатов. «То, что теперь стало возможным накапливать энергию, вырабатываемую внутренним ухом нашего организма, даёт основание считать, что в будущем эту энергию можно будет использовать для обеспечения энергией ушных имплантатов», - комментирует он. 
«Кроме того, если у нас появится возможность более точно измерять напряжение, вырабатываемое «батарейкой» нашего тела, в будущем на основе этих измерений можно будет разработать целый алгоритм диагностики различных заболеваний, т.к. в моменты болезни уровень напряжения, по всей видимости, изменяется» 
«Конечно же, рано пока говорить о том, что можно создать подобную технологию прямо сейчас», - заключил Мегериан. Однако тут же добавил: «Но если мы научимся использовать тот природный источник энергии, что заключён в нашем внутреннем ухе, то именно это станет нашим проводником на пути к технологии будущего».

Эта игра запрещена для пользования в гостевом режиме.
Пожалуйста авторизуйтесь или, если Вы новый пользователь,  зарегистрируйтесь. Это бесплатно!

Успехов!