Quando il corpo umano è fonte di energia

APPLICAZIONI MEDICALI –

Le tecniche di energy harvesting stanno diventando più praticabili e permettono oggi di realizzare impianti non alimentati a batteria di maggiore durata e più versatili.

Esiste un enorme potenziale per la raccolta di energia nel campo degli impianti medici, dove il corpo umano stesso costituisce la fonte di energia. Con gli odierni sensori e circuiti di potenza ultrabassi, gli sforzi per sfruttare la raccolta di energia stanno accelerando. L'obiettivo ultimo del funzionamento autonomo è la realizzazione di progetti più piccoli, senza alimentazione a batteria.

Alimentazione senza batteria

Gli enormi progressi nella tecnologia elettronica di potenza ultrabassa e ultraminiaturizzata, tra cui circuiti Rf e sensori wireless, stanno generando forte interesse nella raccolta di energia per impianti medici. Quando si possono eliminare le batterie, o estenderne significativamente la durata, gli impianti diverranno più piccoli, più comodi, più affidabile e più duraturi. Stimolatori cardiaci, alimentati da energia piezoelettrica raccolta dal battito cardiaco stesso, sono ora una realtà. Un consorzio europeo di ricercatori, guidati da Cea-Leti in Francia, sta sviluppando un pacemaker cardiaco a bassa potenza alimentato dall'energia generata dai battiti del cuore del paziente. Eliminando la batteria si evita di doverla sostituire periodicamente e si riduce la dimensione totale del dispositivo. Il team mira a ridurre la dimensione del pacemaker a meno di 1 cm3, che ne permette l'impianto direttamente sull'epicardio. Il consorzio sta studiando le tecniche piezoelettriche ed elettrostatiche (elettreti) per il processo di conversione da meccanico a elettrico. Inizialmente, le tecniche dovrebbero fornire una potenza in uscita di circa 10 µW. Negli Stati Uniti, i ricercatori presso il Dipartimento di ingegneria aerospaziale dell'Università del Michigan sono testando un dispositivo di energy harvesting piezoelettrico con il potenziale di usare il cuore pulsante per generare elettricità sufficiente per alimentare un pacemaker. Il dispositivo è grande circa la metà delle batterie attualmente in uso nel pacemaker. Le sperimentazioni hanno dimostrato che può generare circa 10 µW della potenza, da otto a dieci volte in più di quanto è richiesto dai pacemaker moderni.

Le batteria biologiche

Gli impianti cocleari, definiti più efficaci degli apparecchi acustici tradizionali, sono disponibili già da diversi anni. Tuttavia, in genere comprendono una sezione interna ed esterna, con microfono, processore audio e batteria nell'unità esterna. La batteria rimane un fattore limitante, specialmente via via che i processori si fanno più potenti e i calcoli più complessi. La ricerca di dispositivi meglio integrati è in corso. Il lavoro svolto presso l'Università dello Utah, ad esempio, ha dimostrato un "proof of concept" dell'impianto di un microfono nell'orecchio, che dovrebbe eliminare parzialmente la necessità di un apparecchio acustico esterno. Tuttavia, la batteria deve comunque essere ricaricata di notte indossando un caricatore dietro l'orecchio. Altrove, i ricercatori stanno studiando la conversione di energia chimica nell'orecchio interno per alimentare gli impianti cocleari. Un team di ricercatori guidati da un gruppo del Massachusetts Institute of Technology sta lavorando sullo sfruttamento della batteria biologica dell'orecchio interno, situata nella coclea.
Tuttavia nello stato attuale il livello di tensione elettrica è troppo basso anche per alimentare un circuito a potenza ultrabassa. Si dovrà anche lavorare all'immagazzinaggio della carica generata e sui circuiti di gestione della potenza, ma una volta che sarà operativo, il dispositivo potrebbe essere autosufficiente, sostengono i ricercatori.

Il punto ottimale

Gli ingegneri del Mit stanno anche sviluppando celle a combustibile di glucosio per alimentare impianti neurali. La cella a combustibile funziona separando gli elettroni dalle molecole di glucosio per creare una piccola corrente elettrica. La cella a combustibile può essere integrata, insieme ai circuiti a potenza ultrabassa, su un chip di silicio, per attivare dispositivi interamente autoalimentati come gli impianti cerebrali. Tali impianti sono in via di sviluppo per aiutare persone affette da lesioni del midollo spinale o che hanno subito un ictus. I progressi nella neuromodulazione hanno portato a realizzare impianti che influenzano il sistema nervoso per controllare il dolore e possono aiutare a eliminare il tremore in pazienti affetti da morbo di Parkinson. Dispositivi elettronici ingeribili, attraverso la raccolta di energia o l'uso di piccole batterie a stato solido, possono svolgere una serie di attività. 'Pillcam', dalle dimensioni di una grossa capsula di vitamine, è usato come endoscopio per visualizzare l'apparato digerente e rilevarne anomalie al passaggio, evitando di sottoporre il paziente a lunghe procedure che causano disagio.
La consegna mirata di farmaci per certi tipi di tumori cancerogeni è un'altra importante applicazione dei dispositivi impiantabili ingeribili. La capacità di dirigere un dispositivo attivo a una posizione precisa, per ridurre al minimo la quantità di farmaco somministrato e per evitare di danneggiare le celle adiacenti, si sta rivelando particolarmente efficace.

La pompa corporea

Sfruttare il calore corporeo per alimentare i dispositivi elettronici è un ottimo candidato per la raccolta di energia. Per gli impianti medici, la sfida è generare l'energia internamente. I generatori termoelettrici basati su chip in via di sviluppo potranno essere inseriti sotto la pelle o nel cranio, ad esempio, sfruttando le minime differenze di temperatura tra il cervello e il tessuto epidermico. Anche la tecnologia Rf può essere utilizzata per alimentare gli impianti. Segnali radio ed elettromagnetici inviati a una piccola bobina in un dispositivo impiantabile possono produrre corrente sufficiente per farlo funzionare. La ricerca in atto anticipa la possibilità di creare piccoli dispositivi che possono essere iniettati direttamente nel flusso sanguigno e azionati in modalità wireless, tramite un campo magnetico esterno, nella posizione corretta e accesi per eseguire operazioni specifiche.

La potenza piezoelettrica

Measurement Specialties è un fornitore ben consolidato di sensori a film piezoelettrico al mercato Oem medico per una vasta gamma di applicazioni. I componenti personalizzati sono fabbricati in stabilimenti certificati Iso13485 al fine di soddisfare i requisiti di qualità specifici del settore medicale. Sensori di pressione, forza, temperatura, umidità e posizione sono incorporati in una gamma di apparecchiature di monitoraggio e trattamento paziente. Il trasduttore a film piezoelettrico LDT-028K è un dispositivo polivalente per il rilevamento delle vibrazioni. L'elemento a film piezoelettrico produce un'uscita di segnale elettrico utilizzabile quando vengono applicate le forze alla zona di rilevamento. Il doppio conduttore collegato al sensore permette a un circuito o dispositivo di monitoraggio di elaborare il segnale. È disponibile un kit di valutazione che dimostra l'utilizzo di questi dispositivi, così come altri sensori di Measurement Specialties, per la sperimentazione e lo sviluppo di una gamma di applicazioni medicali e non medicali.

Le batterie biocompatibili

In alcune applicazioni, la cosa migliore per il funzionamento senza alimentazione da batteria è di utilizzare tecniche di energy harvesting con una forma ricaricabile di accumulo energetico. Le batterie a stato solido a film sottile EnerChip prodotte da Cymbet sono fabbricate su un wafer di silicio mediante tecniche di processo applicate ai semiconduttori. Questo significa che il die nudo può essere integrato e confezionato con circuiti convenzionali per risparmiare spazio e costo. In questa forma, le batterie sono fino a cento volte più piccole di una batteria a bottone non ricaricabile e durano tre volte di più. Sono anche disponibili componenti confezionati, dieci volte più piccoli di una batteria a bottone, con o senza funzionalità di controllo della carica e di gestione della potenza. CBC050-M8C, ad esempio, funziona a 50 µAh a 3,8 V ed è una fonte di alimentazione su scheda ideale per circuiti di potenza molto bassa e sensori intelligenti. Può essere ricaricato migliaia di volte e può essere accoppiato a dispositivi di energy harvesting.
I componenti EnerChip sono biocompatibili e adatti per l'uso in dispositivi impiantabili. Per la sperimentazione con queste batterie innovative, è disponibile il kit di valutazione EnerChip CBC-EVAL-05B, fornito con una scelta di batterie collegabili in vari modi. Un kit di valutazione universale per energy harvesting, CBC-EVAL-09, accetta ingressi da sorgenti piezoelettriche, Teg o elettromagnetiche ed è fornito con le batterie EnerChip.

Le comunicazioni wireless

I transceiver Rf a potenza ultrabassa sono critici perché i sensori impiantabili basati sulla raccolta di energia possano comunicare le informazioni vitali. Il transceiver Rf sub-1 GHz a bassa potenza CC1101 di Texas Instruments ne è un esempio. Destinato principalmente alle bande di frequenza Ism (industriale, scientifica e medica) e Srd (dispositivo a corto raggio), può facilmente essere programmato a frequenze specifiche, come il campo da 400 a 406 MHz, normalmente assegnato alla comunicazione tra dispositivi impiantabili e dispositivi esterni. Il transceiver RF è integrato con un modem in banda base configurabile. In un sistema tipico, CC1101 è utilizzato in congiunzione con un microcontroller a potenza ultrabassa, ad esempio MSP430 di TI. Per applicazioni a potenza ultrabassa, con batteria e raccolta di energia, può essere utilizzato con il convertitore step-down TPS62730 in modalità bypass
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