Se consigue un sistema inalámbrico para transmitir energía dentro del cuerpo para los dispositivos médicos

21/05/2014 - E.P.

Este avance permitirá una nueva generación de microimplantes programables y sensores para monitorizar las funciones vitales en el interior del cuerpo

Una ingeniera de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, Ada Poon, ha inventado una manera de transferir de forma inalámbrica energía al interior del cuerpo y, a continuación, usar esa energía para hacer funcionar pequeños dispositivos médicos electrónicos como marcapasos, estimuladores nerviosos, o nuevos sensores y aparatos aún por desarrollar.

Los avances realizados por esta experta, que se detallan en la edición de la 'Proceedings of the National Academy of Sciences' (PNAS), culminan años de esfuerzos de Ada Poon, profesora asistente de Ingeniería Eléctrica, con el objetivo de eliminar las voluminosas baterías y los incómodos sistemas de recarga que impiden que los dispositivos médicos se usen más ampliamente.

La tecnología podría proporcionar un camino hacia un nuevo tipo de medicina que permita a los médicos tratar enfermedades con la electrónica en lugar de los fármacos. "Tenemos que hacer estos dispositivos lo más pequeños posibles para implantar más fácilmente dentro del cuerpo y crear nuevas formas de tratar enfermedades y aliviar el dolor", afirma Poon.

El artículo describe cómo el equipo de esta investigadora construyó un dispositivo electrónico pequeño, del tamaño de un grano de arroz, que actúa como un marcapasos y puede ser alimentado o recargarse de forma inalámbrica mediante una fuente de alimentación de aproximadamente el tamaño de una tarjeta de crédito colocada por encima del dispositivo, fuera del cuerpo.

El descubrimiento es un gran avance de la ingeniería al crear un nuevo tipo de transferencia de energía inalámbrica que puede penetrar con seguridad en el interior del cuerpo, utilizando más o menos la misma potencia que un teléfono móvil. Como Poon escribe en el artículo, un laboratorio independiente que analiza los teléfonos móviles ha detectado que su sistema estaba bastante por debajo de los niveles máximos de exposición seguros para las personas.

Su laboratorio probó este sistema de carga inalámbrica en un cerdo y lo utilizó para alimentar un pequeño marcapasos en un conejo, por lo que actualmente está preparándolo para realizar ensayos en humanos. En caso de que estos test tengan resultados positivos y muestren que el dispositivo resulta exitoso, pasarían varios años hasta satisfacer los requisitos de seguridad y eficacia para usar este sistema de carga inalámbrica en los dispositivos médicos comerciales.

Poon cree que este avance generará una nueva generación de microimplantes programables, sensores para monitorizar las funciones vitales en el interior del cuerpo, electroestimuladores para cambiar las señales neuronales en el cerebro o sistemas de administración de fármacos para dispensar medicamentos directamente a las zonas afectadas.

El director del Instituto de Neurociencias de la Universidad de Stanford, William Newsome, destaca que el trabajo de Poon crea el potencial para desarrollar tratamientos " electrocéuticos" como alternativas a los farmacológicos. Newsome señala que esos tratamientos podrían ser más eficaces que los medicamentos para algunas enfermedades porque supondrían implantar dispositivos cerca de circuitos específicos del cerebro para modular directamente su actividad, mientras los fármacos actúan globalmente en todo el cerebro.

"Para la práctica 'electrocéutica', los dispositivos deben miniaturizarse y se tienen que encontrar formas de alimentación inalámbrica en lo profundo del cerebro, a muchos centímetros de la superficie", afirma Newsome, profesor de Neurobiología en Stanford. "El laboratorio de Poon ha resuelto una pieza importante del rompecabezas para la alimentación de forma segura de microdispositivos implantables, allanando el camino para la innovación en este campo", agrega.

El artículo describe el trabajo de un equipo de investigación interdisciplinario, que incluye a John Ho y Alexander Yeh, estudiantes de posgrado de Ingeniería Eléctrica en el laboratorio de Poon; Yuji Tanabe, profesor visitante, y Ramin Beygui, profesor asociado de Cirugía Cardiotorácica en el Centro Médico de la Universidad de Stanford. El quid del descubrimiento implica una nueva forma de controlar las ondas electromagnéticas en el interior del cuerpo.

Las ondas electromagnéticas impregnan el universo y se usan todos los días cuando se emiten señales desde las torres de radio gigantes; se cocina en hornos de microondas o se utiliza un cepillo de dientes eléctrico que se recarga de forma inalámbrica en un dispositivo especial al lado del lavabo del baño. Antes del descubrimiento de Poon, había una división clara entre los dos tipos principales de ondas electromagnéticas en el uso diario, de campo lejano y de campo cercano.

Las ondas de campo lejano, como las emitidas por las torres de radio, pueden viajar a grandes distancias, pero cuando se encuentran con tejido biológico, se reflejan en el cuerpo sin causar daño o son absorbidas por la piel en forma de calor. De cualquier manera, las ondas electromagnéticas de campo lejano han sido ignoradas como potencial fuente de energía inalámbrica para los dispositivos médicos.

Las ondas de campo cercano se pueden utilizar con seguridad en los sistemas de energía inalámbrica y algunos dispositivos médicos actuales, como los implantes auditivos, utilizan esta tecnología. Pero su limitación está implícita en el nombre, pues sólo se pueden transferir a distancias cortas, lo que lleva a mantener estos dispositivos cerca de la piel y limita su utilidad en el interior del cuerpo.

Lo que hizo Poon fue mezclar la seguridad de las ondas de campo cercano con el alcance de las ondas de campo lejano, logrando que las ondas viajen de manera diferente cuando entran en contacto con materiales distintos, como el aire, el agua o los tejidos biológicos. Por ejemplo, cuando una persona pone su oído en las vías del tren, puede escuchar la vibración de las ruedas mucho antes de que el tren llegue porque las ondas sonoras viajan más rápido a través del metal que a través del aire.

Con este principio en mente, Poon diseñó una fuente de energía que genera un tipo especial de ondas de campo cercano, de forma que cuando esta onda especial se trasladó desde el aire a la piel, cambió sus características en una forma que le permitió propagarse igual que las ondas de sonido a través de la vía del tren. Esta experta llamó a este nuevo método transferencia inalámbrica de campo medio.

En el experimento que se describe en 'PNAS', Poon utilizó su sistema de transferencia de medio campo para enviar energía directamente a pequeños implantes médicos. Pero es posible construir baterías pequeñas en microimplantes y luego recargarlas de forma inalámbrica mediante el sistema de campo medio, algo imposible con las tecnologías actuales.

"Con este método, podemos transmitir la energía suficiente a pequeños implantes en órganos como el corazón o el cerebro, mucho más allá de la gama de sistemas de campo cercano actuales", concluye Ho, estudiante graduado en el laboratorio de Poon y coautor del artículo.