JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 ETN.fi  Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
lördag 19 september 2020 VECKA 38
Guidelines for contributing Technical Papers: download PDF

Det strider mot allt du lärt dig om radioteknik men det går att kommunicera med en pacemaker via Bluetooth och Zigbee fast den sitter inopererad i kroppen. Fettet bildar en vågledare som ­transporterar radiosignalerna.

– Det fungerar särskilt bra för att fettet normalt ligger mellan hud och ben. Det skapar en vågledare för signalerna som kommer fram bättre, säger Thiemo Voigt som är professor i trådlösa sensornät på Uppsala universitet.

Fettet har en förhållandevis hög dielektricitetskonstant, mellan fem och sex, medan dielektricitetskonstanten för hud och ben är klart lägre. Skillnaden skapar en vågledare som transporterar radiosignalen.

– Vi kom på idén 2016. Idag finns det över 24 publicerade artiklar och även universitetet i Oulu har inspirerats av oss och forskar på området, säger Robin Augustine som är docent och chef för gruppen som forskar på mikrovågor för medicinska tillämpningar på Uppsala universitet. Han har också grundat företaget Probingon som baseras på forskningen.

– Fettet som kommunikations­kanal i kroppen har en fantastisk potential att öppna för ­sensorer och läkemedelsdosering i kroppen vilket kan rädda liv och underlätta för kroniskt sjuka.

Grupperna på Ångströmlabo­ratiet vid Uppsala bedriver tre projekt som finansieras av Vinnova via Smartare Elektroniksystem, av SSF och via EU-projektet Horizon 2020.

 Forskarna har skapat en modell i en tredimensionell elektromagnetisk simulator och konstaterat att det fungerar praktiskt även om vågledaren inte är perfekt, bland annat varierar dimensionerna vilket påverkar egenskaperna.

Dämpningen ligger någonstans mellan en och två decibel per centimeter för frekvenser runt 2,4 GHz. Därmed behövs inte mer än några mikrowatt för att kommunicera med de flesta ställen i kroppen.

En förutsättning för att tekniken ska vara praktiskt användbar är att det går att koppla in och ta ut signalen från kroppen. Det görs med specialdesignade antenner som hålls mot huden och som sitter i de implantat som man ska kommunicera med.

Normala antenner är designade för att skicka ut och ta emot signalerna via luften och får en stor missanpassning om de skulle användas på detta sätt. I exempelvis ultraljudsinstrument används ett gel för att överkomma problemet men Uppsalaforskarna har valt en annan lösning.

– Det översta lagret i antennen är torrt och gör att vågen som går genom antennen ser huden som en del av antennen.

Dessutom är antennerna små. De som används på utsidan av kroppen är inte mer än 0,5 × 0,5 cm medan de som ska opereras in är ännu mindre, bara 0,2 × 0,2 mm. Måtten gäller för frekvenser runt 2,4 GHz.

Den utsända effekten är låg, det handlar om mikrowatt.

– Vi vill inte värma skinnet, säger Robin Augustine.

Hur mycket fett vi har och hur det är fördelat i kroppen skiljer sig mellan män och kvinnor liksom mellan feta och magra personer men det har mindre betydelse för kommunikationskanalen.

– Vi får optimera systemet för de magra, sen har det ingen betydelse om det är tjockare lager.

Tilläggas kan att fettet inte bara sätter sig på synliga ställen som magen eller höfterna, det finns också inne i kroppen, framförallt i överkroppen där man också hittar de vitala organen som det är mest intresse att kommunicera med.

Dessutom finns det två typer av fett, vitt och brunt. Dessa har aningen olika egenskaper. När man tränar är det i första hand det bruna fettet man bränner.

– Vi siktar in oss på det vita fettet.

Det hänger samman med att det innehåller färre blodkärl som dämpar signalen. Tilläggas kan att större blodådror normalt inte korsar fettet vilket annars skulle vara ett problem eftersom det dämpar signalen kraftigt.

Hur hög datatakten behöver vara beror på tillämpningen men kardiologi tillhör de mer datahungriga.

– Idag är det ett stort handikapp att de inte kan få ut mer data.

Dagens lösningar begränsas av att de kommunicerar på MHz-området plus att signalen absorberas av muskler och skinn. Med exempelvis Bluetooth och kommunikation via fettet skulle det gå att nå någon Mbit/s.

Men det finns fler tänkbara tillämpningar än implantat.

Ett exempel är proteser som styrs av hjärnan. Där kan kommunikationslänken både användas för att skicka signaler till protesen och för att ge återkoppling i form av ”känsel”.

– Vi har ett papper på gång och vi håller på att ta fram en enkel demonstrator, säger Robin Augustine.

Det fåtal proteser av den här typen som finns idag läser av nerv- och muskelsignalerna från hjärnan och skickar ut dem via sladdar till protesen, en lösning som kan leda till infektioner och andra komplikationer.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Ytterligare en möjlig tillämpning är att använda kommunikationskanalen som sensor. I samband med en canceroperation skulle man kunna stoppa in en sensor som kommunicerar genom det område där tumören fanns. Om tumören kommer tillbaka påverkar den kommunikationskanalen eftersom den har en avvikande dielektrisk konstant.

– Vi har sett att den mottagna signalens effekt minskar så pass mycket att det går att använda för detektering.

Forskarna har hittills arbetat med att skapa teoretiska model­ler som man jämfört med griskött. När det gäller djurförsök har gruppen tillstånd att göra försök på just grisar.

Det finns också ett tillstånd att testa på mänsklig vävnad. Planen är att nyttja material som avlägsnas vid plastikoperationer.

– Vi ska ha ett labb i kliniken så vi kan testa på så färsk vävnad som möjligt.

Resultaten kan sedan användas för att förfina modellerna.

 

Kopplar upp kroppen

I Vinnovaprojektet ”Anslut min kropp: från in-bodykommunika­tion till hälsovårdssystemet” är målet att koppla upp olika implantat med hjälp av radiostandarder som Bluetooth eller Zigbee. Projektet drivs av medicinteknikföretaget ­Alleato tillsammans med Uppsala ­universitet och Intel.

Stockholmsbaserade Alleato ansvarar för insamlingsenheten som kommunicerar med journalsystemet medan Uppsala universitet bedriver forskning kring hur fettet kan fungera som vågledare för rf-signalerna (se separat text).

Insamlingsenheten ser ut som en lite tjockare smartmobil, men tål att torkas av med sprit och är medicintekniskt godkänd. Det handlar om en referenskonstruktion från halvledarjätten Intel som tillverkas av olika partners.

– Vi försöker använda standardprylar så långt det går, säger ­Susanne Persson på Alleato.

Företag har rötterna i ­Ericssons medicinteknikverksamhet och knoppades av från telekom­jätten år 2000.

Insamlingsenheten kör Android vilket gör det enkelt att lägga på egna tillämpningar. Användar­gränssnittet är dessutom betydligt förenklat jämfört med en smartmobil.


För kommunikation med omvärlden finns bland annat Bluetooth, wifi och Zigbee liksom cellulära standarder som LTE.
Enheten används sedan tidigare för att samla in data från bland annat blodtryckmätare och pulsoxymeter (mäter syresättningen i blodet). Utrustningen kan användas av patienter som bor hemma och resultaten skickas till journalsystemet vilket underlättar för sjukvårdspersonalen.

MER LÄSNING:
 
Pappersmagasinet Nyhetsbrev
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)