Сердцебиение вместо батарейки: кардиостимулятор научился получать энергию от сердца

Современные беспроводные кардиостимуляторы имеют существенное ограничение — срок службы встроенной батареи. Например, имплантируемые непосредственно в сердце системы класса Micra рассчитаны примерно на 5–10 лет работы. После разряда батареи пациенту требуется новая процедура, поскольку извлечение старого устройства из сердца может быть сложнее, чем установка дополнительного импланта.

Новая технология потенциально позволяет отказаться от батареи или как минимум значительно увеличить срок автономной работы кардиостимулятора. Вместо химического источника энергии исследователи использовали трибоэлектрический генератор, который преобразует механические колебания в электричество.

Энергия каждого сокращения

Генератор представляет собой две группы тонких гибких дисков. На одной стороне дисков нанесён медный слой, другая покрыта полимерной плёнкой. При механическом воздействии диски сближаются и расходятся, а возникающий при контакте и разделении материалов трибоэлектрический эффект создаёт электрический заряд.

Механическая конструкция размещена внутри корпуса, совместимого с существующей концепцией беспроводного кардиостимулятора. Масса электронной части используется как инерционный элемент: при каждом сокращении сердца она заставляет гибкие элементы генератора колебаться и вырабатывать электрические импульсы.

Ключевым параметром исследователи считают не столько общий запас энергии, сколько плотность мощности. В лабораторных испытаниях генератор достиг максимальной мощности 276,6 мкВт/см³, что соответствует примерно 194 мкВт для всей конструкции. Средняя мощность составила 12,24 мкВт — больше потребления современных беспроводных кардиостимуляторов, для которых требуется порядка нескольких микроватт.

Конструкция также продемонстрировала долговечность: испытания показали стабильную работу более чем после 300 млн механических циклов. Это сопоставимо примерно с десятью годами работы при частоте сердечных сокращений 60 ударов в минуту.

Имплантация без изменения стандартной процедуры

Прототип разработали с расчётом на доставку через вену с помощью катетерной системы, аналогичной используемой для имплантации существующих беспроводных кардиостимуляторов.

Капсула имеет диаметр около 6,7 мм и длину около 20 мм. После доставки в сердце специальные элементы фиксируют её в мышечной стенке. В эксперименте на свинье катетер провёл устройство через бедренную вену в правое предсердие, а затем в правый желудочек.

Четырёхнедельное наблюдение не выявило серьёзных проблем с работой сердца. Ультразвуковое исследование не обнаружило утечки через клапаны или скопления жидкости вокруг сердца, а показатели крови оставались в норме.

При каждом сокращении генератор создавал электрический импульс, причём его напряжение увеличивалось с частотой сердцебиения. При 62 ударах в минуту оно достигало 7,8 В, а при 82 ударах — 10,1 В.

Генератор смог управлять сердечным ритмом

Наиболее важным результатом эксперимента стала демонстрация возможности использовать полученную энергию непосредственно для стимуляции сердца.

Исследователи сначала накапливали электрический заряд в конденсаторе, а затем направляли его на систему стимуляции. Полученной от сердцебиения энергии оказалось достаточно, чтобы изменить частоту сокращений сердца животного.

В одном из экспериментов частота увеличилась с 92 до 100 ударов в минуту, в другом — с 75 до 120 ударов. При переключении питания с батареи на экспериментальный генератор работа системы не прерывалась.

Однако до клинического применения технологии ещё далеко. Главная проблема заключается в том, что механические характеристики реального сердца значительно сложнее условий лабораторных испытаний. Сердечная мышца поглощает часть движения, а само сердце одновременно сжимается, изгибается и вращается. Кроме того, собственная частота колебаний генератора пока не оптимально согласована с движениями сердца.

Особенно важным остаётся вопрос работы при заболеваниях, сопровождающихся замедлением сердечного ритма. Именно таким пациентам обычно требуется кардиостимулятор, но слабые сердечные сокращения одновременно означают уменьшение доступной для генератора механической энергии.

Следующим этапом исследователи называют длительные испытания на крупных животных, в том числе при сниженной и нерегулярной сердечной активности. Необходимо также оценить, как образование рубцовой ткани и отложение кальция вокруг импланта повлияют на передачу механической энергии генератору.

Таким образом, технология пока остаётся доклинической, но демонстрирует принципиально новый подход к энергоснабжению имплантируемой электроники. Сердце в такой системе становится не только объектом воздействия кардиостимулятора, но и источником энергии для его работы.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.