广告

神经刺激器利用磁致伸缩效应和压电效应实现植入式能量传递

2021-02-18 Bill Schweber 阅读:
神经刺激器利用磁致伸缩效应和压电效应实现植入式能量传递
最近,莱斯大学的一个研究小组制作并测试了他们称为第一台由外部磁场驱动的能量捕获和转换设备。研究人员利用这种能量来驱动神经刺激器产生不同的波形和模式,用于治疗帕金森氏症、抑郁症、疼痛和强迫症。

工程师习惯处理各种“效应”,其中一些众所周知,另一些则鲜为人知。例如,众所周知的有压电效应和趋肤效应,鲜为人知的有柯恩达效应。无论是哪种效应,这些基于物理学的现象通常是设计传感器、特殊材料和一些独特功能的理论基础。HhNednc

最近,莱斯大学的一个研究小组制作并测试了他们称为第一台由外部磁场驱动的能量捕获和转换设备。它不会受人体组织影响而产生较大衰减,可避免在使用RF、超声波、光甚至电磁线圈时出现人体吸收的问题以及空气、骨骼和身体组织交界处的阻抗差异。HhNednc

研究人员利用这种能量来驱动神经刺激器产生不同的波形和模式,用于治疗帕金森氏症、抑郁症、疼痛和强迫症。HhNednc

能量传递装置实际上利用了两种不相关的物理现象:磁致伸缩效应(磁性材料的一种特性,在磁化过程中形状或尺寸发生改变)和压电效应,可以将磁场转换为电场和电压。HhNednc

该研究小组使用了一种材料,通过薄膜的磁致伸缩层和压电层之间的机械耦合来产生电压,而不是通过植入线圈产生电压。变化的外部磁场在磁致伸缩层中产生应力,该应力继而作用在压电层上以产生电压。组合磁电子(ME)器件可由大约几毫特斯拉的弱磁场驱动,如图1所示。HhNednc

HhNednc

图1:(a)使用磁致伸缩器件对自由活动的小鼠进行无线神经刺激;(b)共振响应曲线显示,当磁场频率在171kHz与声学共振匹配时,会产生最大电压;(c)使用永磁体的器件测试装置会产生偏置场,电磁线圈则会产生交变磁场。(图片来源:莱斯大学)HhNednc

为了提高能量传递效率,研究人员还使用永磁体或电磁体来产生恒定偏置场。由于磁致伸缩材料中的应力是磁场强度的S形函数,因此当磁场在S形的中点附近振荡时,交变磁场产生的电压变化最大(图2)。HhNednc

HhNednc

图2:磁致伸缩薄膜的输出电压与偏置场的关系。适度的磁偏置场会显著增加最大共振电压。(图片来源:莱斯大学)HhNednc

研究人员已将电源和刺激器一起植入啮齿动物的大脑中,以调用各种类型的神经刺激来对其进行测试。整个单元——电源子系统和神经刺激器——比一颗米粒还要小,必须完全定制。一篇详细而明晰的论文“Magnetoelectric Materials for Miniature, Wireless Neural Stimulation at Therapeutic Frequencies”(应用于治疗频率微型无线神经刺激器的磁电材料)已在Neuron(神经元)期刊上发表,生动地解释了替代性能量传递技术带来的挑战。HhNednc

这是能量传递还是能量收集?由于外部磁场并不是“自然存在”的,不能就地使用,所以我不确定它算不算真正的收集。从另一个角度来看,它当然具有收集的某些属性,至少在概念上如此。我们且把它称做能量传递与收集的结合吧。HhNednc

你是否曾使用过一种可以视为能量收集的方案,但实际上更像是一种独特的能量传递技术?你当时必须解决且最后确实解决了哪些问题?HhNednc

(本文授权编译自EDN英文网站,原文参考链接:Neural stimulator device combines two “effects” for implantable energy transfer,由Jenny Liao编译)HhNednc

本文为《电子技术设计》2021年2月刊杂志文章“神经刺激器利用两种‘效应’实现植入式能量传递”,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里HhNednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 保护吊臂救援车的断路器 在1980年代,我接到一个任务是弄清楚为什么要价100万美元的吊臂救援车被烧毁。火灾的起因已经确定;起火源在救援车上其中一个工具箱,我检查并搜寻了由承包商制造的线束和开关面板的规格…但事情的结果,我只能无奈地说,有时惯性要比常识或良好的工程实践强…
  • 面向未来的电动汽车电池管理系统 根据最新调查结果显示,对于尚未考虑抛弃传统内燃机车辆的消费者来说,对电动汽车电池续航能力的担忧,仍是阻碍其购买电动汽车的最重要因素。为了解决这一问题,半导体技术正在不断创新,为实现更快的充电速度和更高的电动汽车续航里程铺平道路。
  • 法国拆除华为4G设备,5G设备将选择欧洲产品 法国各大城市已经开始进行华为的4G设备的移除工作,而升级的5G设备将选择欧洲产品,如布伊格电信公司选择的是爱立信设备,法国移动运营商SFR选择的是诺基亚。
  • 中芯国际与阿斯麦签单,花12亿美元买光刻机! 近年来,美国不断从全方位限制中国半导体行业的发展,作为芯片制造的关键,光刻机也成了美国“卡脖子”的关键所在。就在今日,中芯国际与ASML的合作有了新消息。
  • 消灭堵车!智慧交通管理技术准备大显身手 透过减少碳排放与舒缓交通壅塞,智能交通管理系统(smart traffic management systems)市场在接下来四年可望为所有的城市节省2,770亿美元的成本..
  • 英特尔要赔21.8亿美元,自称被“专利流氓”碰瓷 美国得克萨斯州Waco的一家联邦地方法庭判决称,英特尔公司侵犯了“VLSI科技公司”持有的两项专利。法庭判决英特尔为其中一个专利赔偿15亿美元,另外一个专利赔偿6.75亿美元,共计21.75亿美元,成为了美国历史上规模最大的专利侵权赔偿案之一。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了