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

shuszhao

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。
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。
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。

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。
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。

                               
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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）

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）。

                               
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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）

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。
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。
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？

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