El cuerpo humano como conductor eléctrico, un nuevo método de transferencia inalámbrica de energía
Crédito: BERG-UPF
El proyecto Electronic AXONs: microestimuladores inalámbricos basados en la rectificación electrónica de corrientes aplicadas epidérmicamente (eAXON, 2017-2022), financiado por una Consolidator Grant del Consejo Europeo de Investigación (ERC) concedida a Antoni Ivorra, responsable del Grupo de Investigación en Electrónica Biomédica (BERG) del Departamento de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (DTIC) de la UPF, tiene como objetivo principal «desarrollar dispositivos inyectables muy finos, flexibles y microestimuladores para restaurar el movimiento en parálisis», dice Ivorra, investigadora principal del proyecto.
Un objetivo secundario de este proyecto es ilustrar cómo se puede utilizar la conducción de volumen (también conocida como acoplamiento galvánico) para transferir energía de forma inalámbrica a los implantes electrónicos. La conducción de volumen se considera una alternativa a las baterías o la transferencia de energía inalámbrica basada en el acoplamiento inductivo, ya que estos dos métodos de suministro implican que los implantes deben ser relativamente grandes para acomodar los componentes necesarios para obtener la energía requerida para la operación.
Uno de los principales parámetros de interés para saber si una tecnología tiene potencial para suministrar implantes es determinar la potencia máxima que pueden recibir los implantes utilizando el método propuesto. Así, el objetivo principal del estudio publicado en la revista IEEE Access es determinar mediante ecuaciones la potencia máxima que puede recibir un implante por conducción de volumen cuando las corrientes aplicadas son seguras según los estándares de seguridad eléctrica. Sus autores son Marc Tudela, Laura Becerra-Fajardo, Aracelys García-Moreno, Jesús Minguillon y Antoni Ivorra.
“Hoy en día, el principal elemento que frena el desarrollo de los implantes mínimamente invasivos es la forma en que se implantan. En este sentido, creemos que la conducción por volumen tiene potencial para resolver este problema. La conducción por volumen nos permite desarrollar dispositivos similares a hilos que se pueden implantar por inyección», explica Tudela.
Transferencia de energía inalámbrica (WPT) )
El método de transferencia inalámbrica de energía por conducción de volumen consiste en utilizar los propios tejidos del cuerpo como canal de transferencia de energía eléctrica. Usando un sistema externo, las corrientes eléctricas se envían a través del cuerpo humano y estas corrientes fluyen a través de los tejidos y los implantes extraen una pequeña cantidad.
El método de transferencia inalámbrica de energía a través de la conducción de volumen consiste en utilizar los propios tejidos del cuerpo como un canal para transferir energía eléctrica. Los autores proponen entregar corrientes con magnitudes superiores a un amperio que son inofensivas por su alta frecuencia. Crédito: BERG-UPF
Así es como los implantes obtienen la energía necesaria para su funcionamiento. El aspecto innovador del enfoque de los autores es la forma de hilo de los implantes, que permite inyectarlos sin cirugía, y el uso de corrientes de alta frecuencia (> 5 MHz) aplicadas en ráfagas, haciéndolos completamente inofensivos e imperceptibles.
Para producir energía a los implantes en la región de los milivatios, los autores proponen aplicar corrientes con magnitudes del orden de algunos amperios para lo cual el sistema externo debe generar tensiones en torno a unos cientos de voltios. Estas magnitudes serían más dañinas si correspondieran a corrientes alternas de una frecuencia como la de la red (50 Hz). Sin embargo, este método evita por completo el uso de frecuencias más altas. En concreto, los autores proponen el uso de corrientes alternas con una frecuencia superior a 5 MHz.
Los autores del estudio publicado en IEEE Access obtuvieron modelos matemáticos que les permitieron determinar la potencia local máxima que se puede obtenido por un implante mediante conducción de volumen según el tamaño del implante, su carga electrónica y las propiedades del tejido donde se colocará. Finalmente, validaron estos modelos in vitro usando una solución salina que simula las propiedades eléctricas del tejido humano y obtuvieron una buena correlación entre los resultados experimentales y analíticos.
Dispositivos que se pueden implantar fácilmente por inyección
Así, los resultados del estudio muestran que aplicando corrientes eléctricas de alta frecuencia en ráfaga -inofensivas para el cuerpo humano y que cumplen con los principales estándares internacionales de seguridad- se pueden obtener potencias superiores a 1 mW en muy finos (sección inferior a 1 mm), implantes cortos (< 15 mm). Estos dispositivos se pueden implantar fácilmente mediante un procedimiento percutáneo similar a una inyección.
«Otro resultado interesante que hemos obtenido es que la aplicación de corrientes eléctricas de alta frecuencia en forma de ráfagas, en lugar de continuas, permite maximizar la potencia obtenida en los implantes», comenta Tudela. Y añade el investigador, “nuestros resultados indican que un implante con una sección de solo un milímetro y una longitud de alrededor de un centímetro podría obtener 100 veces la potencia que requiere actualmente un marcapasos”.
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Primer transceptor inalámbrico a escala milimétrica para píldoras electrónicas Más información: Marc Tudela-Pi et al, Power Transfer by Volume Conduction: In Vitro Validated Analytical Models Predict DC Powers Above 1 mW en implantes inyectables, IEEE Access (2020). DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2975597 Proporcionado por Universitat Pompeu Fabra – Barcelona Cita: El cuerpo humano como conductor eléctrico, un nuevo método de transferencia inalámbrica de energía (6 de abril de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https ://medicalxpress.com/news/2020-04-human-body-electrical-conductor-method.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.