人體植入式裝置也能無線充電！

經過長達6年的毫米級醫療植入物研究，美國史丹佛大學(StanfordUniversity)電子工程系助理教授Ada Poon終於取得符合安全相容性實驗室的驗證報告，並證實她的這項研究具有商用化潛力。

Poon興奮地解釋，這項研究主要利用活體動物組織作為媒介，可在大約5公分以上的距離透過「中場」(mid-field)無線電源提供超過200微瓦的功率。

「我們確定模擬過程相當安全，」Poon指出，「我們使輸出功率保持在500mW，這和手機是一樣的，接著我們進行測量，檢查溫度的上升。我們進行一切的驗證，最終才真的確定與證明這項技術是安全的，然後我們才送交第三方測試。」

Poon和其他研究人員們針對這項主題為「醫療植入裝置的中場無線電源研究」提交了一份論文至國家科學院(National Academy of Sciences)，內容描述一種可穿透約5cm皮膚組織為植入於兔子心臟中的2mm微型刺激器供電的方式。

這種電流感應耦合方法取決於植入裝置與外部裝置之間的近場耦合──在植入裝置與外部裝置之間無非就是一層薄薄的皮膚。Poon的團隊採取了一種不同的方法，經由生物組織擁抱1.6GHz的訊號傳輸，而非採取試圖避開的作法。

史丹佛大學的研究人員們稱這種方式為「中場」(mid-field)無線。史丹佛大學研究生John Ho解釋，基本上是將「近場」轉換為「遠場」(far-field)電磁波，這種傳輸方式較安全但遠離訊號源後快速衰減，但已能將能量傳送到更遠的距離。

該技術可傳送超過200mW功率，遠遠超過當今起搏器所需的8mW功耗。Poon以及其他研究人員們預見到有一天將出現一種僅有米粒大小的微型刺激器，它可能比當今所用的植入裝置或藥物更加高效。

「我們的供電方式適用於更廣泛的裝置類型，如植入式診斷感測器或局部藥物遞送工具，」Ho說，「這些裝置未能商業化開發出來的部份原因可能是現有植入裝置尺寸太大。」

「一個有趣的應用是在一種俗稱『電藥』(electroceutical)的新興藥物治療方式，這種直接安裝在人體內部進行調節的微型裝置，在某些疾病的治療上可能比用藥物更有效。在這方面還需要更多的研究，才能瞭解疾病的神經基礎以及開發電子治療方法，但無論如何，所有的這一類途徑都需要安全傳送電力的方式。」

從理論到手術

為了使植入式裝置最小化，許多微型刺激器並未加裝電池。當使用者想產生脈衝以減輕疼痛或讀取嵌入式感測器的數據時，他們通常都必須在患處放置一個如信用卡大小的充電器。其他的刺激或感測器可能內建微型電池，從而實現自動化作業。但使用者仍必須經由外部裝置為植入式裝置進行充電。

而在未來的12個月內，預計Poon的研究團隊就能首次在人體內植入這種新式微型刺激器，可能用於治療週邊神經疼痛。不過，在這項產品獲准用於醫療用途以前，大約還要經過幾年的時間進行測試。

Poon所開發的裝置比目前由Medtronic與St. Jude Medical等公司開發約幾公分大小的起搏器更小幾個數量級。這些較大型裝置的問題是必須抗拒更大的力量，才能保持與身體組織之間的恆定。此外，Poon也有興趣探索這種電磁能量究竟可達到多遠的距離限制。

「我所受的訓練主要是在資訊理論方面，」她說，「這是在電子工程學中最密集使用數學的部份，我們總是問這樣的問題：通過一定通道的最高資料速率是多少？」

她的職業生涯一開始是在英特爾(Intel)公司從事可重配置射頻方面的工作，目前在於製造出更高靈敏度的基頻晶片。後來，她還曾經任職SiBeam，該公司是60GHz CMOS 晶片先驅，為消費電子裝置提供高解析的無線視訊。

「當我開始研究生物組織的電磁學時，我對於這方面所存在的限制也感到好奇。每個人都在用電感耦合，但什麼是最佳解決方案卻一直沒有答案。」

在經過長達6年的追尋後，這個問題仍然開放各種解答，未來，也還有更多年的路要走。她說，「這是一段漫長的旅程。」

「這項研究的一個有趣之處在於它所涵蓋的範圍是如此地廣泛，從物理到醫學，」Ho說，「有一段時間我還同時展開數學研究與動物實驗──這真的很令人振奮！」