完全植入式电子设备，如心脏起搏器[1]、心血管监测仪[2]和深部脑刺激器[3]，已在医疗监测、诊断和治疗领域得到广泛发展。现有的植入设备通过可更换电池[4]、自供电[5]和无线功率传输[6]供电。一次性电池的主要挑战是寿命有限，需要通过手术间歇性更换，从而导致不可忽视的健康风险和医疗费用。自供电涉及通过循环、呼吸和消化系统将生物体内的内源能量转化为电能[7]。然而，器官运动受限、力量较弱、能量收集不稳定也带来了挑战。相比之下，无线经皮能量传输技术已被开发用于将外部能量传输到跨生物组织的植入电子设备。目前，外部能源，包括超声波、近红外光、热和磁场，已被用于无线能量传输。然而，超声波和高频磁场很容易被皮肤和组织吸收或反射。光和热总是会导致组织的热损伤和严重的能量衰减。因此，这些技术通常存在对于较厚组织能量传输效率低的问题。而低频(<100 Hz)磁场由于其生物安全性高、衰减速度慢，已成为理想的能量来源。
谢曦教授和蒋乐伦教授在《国家科学评论》上撰文，率先提出了一种超低频磁能聚焦(ULFMEF)方法，用于为深层组织植入式电子设备提供高效、鲁棒的无线供电。磁能传输系统主要由植入式磁能接收器(IMER)和便携式外部磁能发射器(EMET)组成(图1a1)。 EMET 产生超低频外部磁场，MIFC 产生内部磁场。组合磁场在无线供电线圈中感应出低频电场。与光伏效应、电磁效应等其他高频技术(图1a2)相比，ULFMEF系统利用超低频磁场，具有低热效应和多功能的优点。磁芯 IMER 是通过将具有高磁化强度的 NdFeB 磁内聚焦芯 (MIFC) 封装在圆柱形铜线圈内而制成的(图 1b)，其中附加电路或刺激电极连接到无线供电线圈。便携式磁能发射器由与速度控制器耦合的直流电机组成，用于驱动 NdFeB 磁体旋转(图 1c)。图1d显示了IMER的顶面和背面，尺寸为Φ8×4mm 3，重量仅为约1g。 顶部集成了一个微型电路，将产生的E ei感应交流电整流为直流电并升压。便携式发射器通过电机驱动NdFeB磁体的旋转产生5Hz至50Hz超低频旋转磁场，旋转磁场穿透生物组织并通过两条途径感应IMER的电流(图1e)。在外部通路中，发射器的旋转磁场可引起磁通量变化，并在线圈中产生外部磁场感应电势E e 。同样重要的是，在内部路径中，由于驱动磁体和 MIFC 之间的强磁相互作用，MIFC 与外部磁场同步旋转。这导致线圈内部产生原位旋转磁场并产生内部磁场感应电势E i。IMER 中产生的总电势E ei由E e和E i组成， 与传统的磁能传输相比，IMER 中 MIFC 的存在可以显着提高总输出电量。与其他无线能量传输方法相比，这种 ULFMEF 方法显着增加了传输距离并减慢了能量传输过程中的衰减率。此外，ULFMEF的这种低频长距离磁能传输模式可以穿透更深的生物组织，同时能量损失和热损伤最小。这有望为植入式微电子设备提供有效的电源，以在深层组织中进行电刺激或光刺激。 ULFMEF 的有效、稳健和多功能特性使该方法成为新一代完全植入式生物设备的非常有前途的无线供电技术。
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