「ミクロの���x圏」を半導���\術で再現−Stanford�jの試み
現在の医学では�E��できないような��気を�Eすために�Lかせない、半導���\術の��躍場所がある。��Stanford UniversityのAda Poon研�|室は、人��の疾患�霾�を見つけたり�E��したりするためにマイクロカプセル(図1)を腸だけではなく�p管内�陲砲眛各�できる�\術を開発している。このほど、無線で電��をカプセルに供給する�\術を開発した(参考�@料1)。
図1 ��内に�mめ込む��小型無線マイクロカプセル 出�Z：Stanford University
これは、皮膚から5cm��度の深さなら、mWクラスの電��（人��に�W��なレベル）を無線で供給するという�\術だ。無線電��は皮膚から��内に入るとすぐに��衰してしまうが、この�\術はできるだけ��衰させずに電��を内�陲冒�り込もうというもの。そのため、平�Cアンテナの電極パターン形�Xを工夫した。
これまでの医����カプセルは、ボタン電池を組み込んだ電子�v路で構成され、飲み込んだ後食�Oから胃、小腸、�j腸、そして直腸と経て外�陲愬喀个気譴討い�。これでは、食�Oや腸内の疾患しか発見できない。Stanfordが進めている研�|は、腸だけではなく�p管内も動き�vれるような��小型のカプセルを作り、人��の外�陲�ら電源を供給する。カプセル内の電子�v路には人��を溶かす恐れのある電池を搭載しない。これまでのカプセルでは届かなかった場所でも動き�vれるようにし、�E��に役立てようとしている。かつてのSF映画「ミクロの���x圏」をほうふつさせるような試みである。
電池ではなく、�X電変換や圧電変換、バイオポテンシャル、酵素などによるエネルギーハーベスティングを�W��する�}もあるが、電��密度はまだ低く、0.1µW/mm2に満たない。無線給電は��侵���\術の�kつであるが、��来のニアフィールドのカップリングでは電��は��の深くまで浸透せず、��衰してしまう��人��は、表�Cにある皮膚から皮下脂肪、筋肉、骨あるいは内�鼎箸いα避Eから成り立っており、電��を��の奥まで到達させることは�W��な電���J囲では極めて�Mしい。
Stanfordの�桔，覆�、心臓��患�vには心臓のそばにマイクロカプセルのペースメーカーを��ける。電池交換のために何�Qごとに�}術する��要はない。研�|リーダーのAda Poon��教�bは、スイートスポットと�}ぶミッドフ��ールドを�W��する(参考�@料2)。ニアフ��ールドは「スイカ」や「イコカ」のようなICカードがタッチする��度の�{�`、ファーフ��ールドは携帯電�Bのようなkmレベルの�{�`を、それぞれ伝達する電�S��性である。Ada Poon��教�bは、それらの中間なのでミッドフ��ールドと�}んでいる。これは電磁�Sの発�攜擦�ら�S長��度の�{�`までの到達�J囲を指すという。
直径2mm×高さ3.5mmのマイクロカプセル内に、数�v巻きのコイルと、マイクロ�Sから直流に変換する�D流�v路、パルス�U御のSOI（silicon on insulator）ICを実�△靴討�く。マイクロカプセルの�jきさはカテーテルの中に入れることを�i提としている。
人��の外から発�oする無線電��のエネルギーを��内で��衰しにくくするために、4つの送信アンテナを�W��した。図2Aのようにメタル電極で4つのパターン（ポート1〜4）を構成した。�∨，�6cm×6cmで、動作周�S数は1.6GHz。研�|�vたちは、発振した電�Sがマイクロカプセルのコイルに集中するように、�究�式を解きパターン形�Xを��めた。発振電�Sにレンズ効果を�eたせ、��点平�C内に磁�cを閉じ込め、�S長以下の小さな�C積に電�Sを集中させているという。ポートごとの信�ｴ屬琉盟蠅鯆甘Dすると最適な電流密度が�uられるとしている。
図2 ミッドフ��ールドでのエネルギー伝達 （A）4つのポートを�eつ発信源、（B）x�妓�の�S数kに�pった空間周�S数スペクトル、理�b値と比較、（C）直径2mmのコイルで�p信するパワーの実�R値とシミュレーション値、発信パワーは500mW、（D）10 French (3.3mm) のカテーテルのさや、（E） �v路ブロック図 出�Z：Stanford University (参考�@料1)
ニアフ��ールドカップリングだと、本来、指数関数的に��衰するが、ミッドフィールドカップリングでは、伝送される深さが周辺環境のロスによって��まるという。理�b的には、ニアフィールドよりも2〜3桁もエネルギー伝達��性が良いとしている。
�jきな電池を使っていないため、マイクロカプセルの�jきさ��度なら�Nや心臓の内�陲棒���できる。パーキンソン��や心臓��などの�E��に使うことを期待している。
参考�@料
1. “Wireless Power Transfer to Deep-Tissue Micro-implants”, PNAS Early Edition,
2. “Stanford Engineer invents safe way to transfer energy to medical chips in the body”, Stanford News (2014�Q5月19日)
