Vés enrere

El cos humà com a conductor elèctric, un nou mètode de transmissió sense fils de potència per a implants electrònics injectables

El cos humà com a conductor elèctric, un nou mètode de transmissió sense fils de potència per a implants electrònics injectables

Proposat per investigadors del Biomedical Electronics Research Group del Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions, i publicat per Marc Tudela, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesús Minguillón i Antoni Ivorra, a la revista Access de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

01.04.2020

Imatge inicial

El projecte Electronic AXONs: wireless microstimulators based on electronic rectification of epidermically applied currents (eAXON, 2017-2022), finançat per un ajut Consolidator Grant del Consell Europeu de Recerca (ERC, de les sigles en anglès) atorgat a Antoni Ivorra, cap del Biomedical Electronics Research Group (BERG) al Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (DTIC) de la UPF, té com a principal objectiu "desenvolupar microestimuladors injectables molt prims i flexibles per a la restauració de moviments en paràlisi", explica Ivorra, investigador principal del projecte.

Un objectiu subjacent d’aquest mateix projecte és il·lustrar com es pot utilitzar la conducció volumètrica (coneguda també com acoblament galvànic) per a la transferència d’energia sense fils a implants electrònics. La conducció volumètrica es planteja com a alternativa a les bateries o a la transferència d’energia sense fils basada en un acoblament inductiu donat que aquests dos mètodes d’alimentació impliquen que els implants han de ser relativament voluminosos per acollir els components necessaris per obtenir l’energia pel seu funcionament.

Un dels principals paràmetres d’interès per saber si una tecnologia té potencial per alimentar implants és determinar la potència màxima que poden obtenir els implants utilitzant el mètode proposat. Així doncs, el principal objectiu d'una recerca publicada a la revista IEEE Access ha estat determinar mitjançant equacions la potència màxima que pot obtenir un implant utilitzant conducció volumètrica quan els corrents que s’hi apliquen són segurs segons estàndards de seguretat elèctrica. Són els seus autors Marc Tudela, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesús Minguillon i Antoni Ivorra.

"Avui en dia el principal element que obstaculitza el desenvolupament d’implants mínimament invasius és el mètode en què aquests obtenen l’energia. En aquest sentit, considerem que la conducció volumètrica té potencial per solucionar aquest problema. La conducció volumètrica ens permet desenvolupar dispositius filiformes que podem implantar per injecció", explica Tudela.

El que resulta innovador de la proposta dels autors és la forma filiforme dels implants, que permet que aquests puguin ser injectats sense necessitat de cirurgia, i la utilització de corrents d’alta freqüència (> 5 MHz) aplicats en forma de ràfegues, que permet que aquests siguin totalment innocus i imperceptibles

Transmissió de potència sense fils (WPT wireless power transfer)

El mètode de transferència d’energia sense fils per conducció volumètrica consisteix a utilitzar els propis teixits del cos com a canal de transmissió de l’energia elèctrica. Utilitzant un sistema extern, s’apliquen corrents elèctrics a través del cos humà i aquests corrents flueixen pels teixits i una petita part son drenats pels implants

Així és com els implants obtenen l’energia necessària per al seu funcionament. El que resulta innovador de la proposta dels autors és la forma filiforme dels implants, que permet que aquests puguin ser injectats sense necessitat de cirurgia, i la utilització de corrents d’alta freqüència (> 5 MHz) aplicats en forma de ràfegues, que permet que aquests siguin totalment innocus i imperceptibles.

Per produir potencies al voltant del miliwatts als implants, els autors proposen l’aplicació de corrents amb magnituds de l’ordre d’uns pocs amperes per a les que el sistema extern ha de generar tensions al voltant d’uns pocs centenars de volts. Aquestes magnituds serien molt nocives si corresponguessin a corrents alterns d’una freqüència com la de la xarxa de distribució elèctrica (50 Hz). Això s’evita totalment fent servir freqüències més elevades. Concretament, els autors proposen l’ús de corrents alterns amb una freqüència superior als 5 MHz.

Els autors del treball publicat a IEEE Access han obtingut uns models matemàtics que els han  permès determinar la potència màxima local que pot obtenir un implant utilitzant conducció volumètrica en funció de les dimensions de l’implant, la seva càrrega electrònica i les propietats del teixit a on estarà situat. Finalment han validat aquests models in vitro utilitzant una solució salina que emula les propietats elèctriques dels teixits humans i han obtingut una bona correlació entre els resultats experimentals i els analítics.

Dispositius que podran ser fàcilment implantats mitjançant injecció

Així doncs, els resultats de l'estudi revelen que aplicant corrents elèctrics d’alta freqüència en forma de ràfega —innòcues per al cos humà i que compleixen els principals estàndards internacionals de seguretat— es poden obtenir potencies superiors a 1 mW en implants molt prims (secció inferior a 1 mm) i curts (longitud inferior a 15 mm). Aquests dispositius podran ser fàcilment implantats utilitzant un procediment percutani molt semblant a una injecció.

"Un altre resultat interessant que hem obtingut és que l’aplicació dels corrents elèctrics d’alta freqüència en forma de ràfegues, en lloc de fer-ho de manera contínua, permet maximitzar la potència obtinguda en els implants", comenta  Tudela. I afegeix aquest mateix investigador, " els nostres resultats indiquen que un implant amb una secció de tan sols un mil·límetre i una longitud d’un centímetre podria obtenir aproximadament 100 vegades la potència que necessita actualment un marcapassos ".

Treball de referència:

Marc Tudela-Pi, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesus Minguillon, Antoni Ivorra (2020), "Power Transfer by Volume Conduction: In Vitro Validated Analytical Models Predict DC Powers above 1 mW in Injectable Implants". IEEE Access. 8(1):37808-37820.

El treball s'ha dut a terme íntegrament al grup BERG (Biomedical Electronics Research Group) de la Universitat Pompeu Fabra. El primer autor és l’estudiant de doctorat Marc Tudela Pi, que ha estat supervisat per Antoni Ivorra, investigador principal del projecte ERC eAXON, i per Laura Becerra-Fajardo, investigadora postdoctoral del BERG. També hi han col·laborat altres membres de BERG: Aracelys García Moreno, estudiant de doctorat de la UPF i Jesús Minguillón, investigador postdoctoral.

Multimèdia

Multimedia

Multimedia

Categories:

ODS - Objectius de desenvolupament sostenible:

ODS - Objetivos de desarrollo sostenible:

SDG - Sustainable Development Goals:

Els ODS a la UPF Los ODS en la UPF The ODS at UPF

Per a més informació

Para más información

For more information

Notícia publicada per:

Noticia publicada por:

News published by:

Unitat de Comunicació i Projecció Institucionals

Unidad de Comunicación y Proyección Institucionales

Institutional Communication and Promotion Unit