Introduzione

I sistemi di trasferimento di energia chirurgica cardiac impiantabili (CIEDs) sono stati un cardine della moderna cardiologia per decenni, risparmiando milioni di vite attraverso i pacemaker, i cardioverter-defibrillatori impiantabili (ICD), e la terapia di risincronizzazione cardiaca (CRT), ma questi sistemi di salvataggio-susando dipendono da una sola debolezza: le batterie che alimentano.

I recenti progressi nell'accoppiamento induttivo, nel trasferimento di energia risonante, nella raccolta di energia radiofrequenza (RF) e nei sistemi basati su ultrasuoni hanno avvicinato il WPT alla realtà clinica. Con la fornitura di energia in modo sicuro ed efficiente attraverso la pelle e il tessuto, queste tecnologie promettono di liberare i pazienti dai vincoli della longevità della batteria.

Il bisogno critico di energia wireless negli impianti cardiac

Nonostante la loro comprovata efficacia, i CIED convenzionali sono afflitti dalla limitazione fondamentale della loro fonte di energia. Ogni intervento chirurgico di sostituzione introduce una finestra di vulnerabilità per il paziente. Secondo i dati del Registro Nazionale dei Dati Cardiovascolari, l'incidenza di complicazioni come l'ematoma tascabile, l'infezione del dispositivo e il danno di piombo durante le procedure di sostituzione varia dal 2% al 5%, con tassi più elevati nelle popolazioni di pace individuale.

Anche se i produttori forniscono curve di longevità stimate, la durata effettiva della batteria varia con la domanda di marcia, la programmazione del dispositivo e la chimica della batteria. Un dispositivo che si basa su una fonte di energia finita non può supportare funzioni avanzate come il monitoraggio continuo remoto, la terapia ad alta velocità per le aritmie, o la diagnostica ad alta intensità di dati senza drenare la batteria più velocemente. L'introduzione di sistemi di trasferimento di corrente più leggeri non solo consentirebbe solo la sostituzione anatomica

Come la popolazione globale invecchia, il numero di pazienti che ricevono CIED è previsto aumentare bruscamente. L'Organizzazione Mondiale della Sanità progetti che entro il 2030, le malattie cardiovascolari resteranno la causa principale della morte, e la domanda di terapeutici impiantabili aumenterà di conseguenza. Ridurre la necessità di interventi ripetuti diventa una questione non solo di convenienza, ma di capacità sanitaria e di sicurezza dei pazienti.

Come funziona il trasferimento di energia wireless per gli impianti medici

Il principio fondamentale del trasferimento di energia wireless per i dispositivi impiantati è la trasmissione di energia attraverso la barriera cutanea senza connettori fisici. L'energia è generata da una fonte esterna (trasmettitore) e catturata da un ricevitore all'interno del corpo, dove viene convertita in corrente elettrica per caricare direttamente una batteria o alimentare il dispositivo. La sfida chiave è raggiungere un'efficienza di trasferimento di energia sufficiente, assicurando il riscaldamento dei tessuti rimane entro limiti sicuri.

Coupling induttivo

Un'unica bobina al di fuori del corpo genera un campo magnetico alternato, che induce una tensione in una bobina secondaria incorporata nell'impianto. L'efficienza dipende pesantemente dall'allineamento e dalla distanza della bobina; tipicamente, l'accoppiamento induttivo funziona meglio con una separazione di meno di 2 cm. Per gli impianti cardiaci – spesso posti appena sotto la pelle nella regione pettorale – questa distanza è fattibile.

Per i dispositivi cardiaci, ] uno studio del 2020 pubblicato nelle Transazioni EEE su Ingegneria Biomedica[] ha dimostrato un prototipo di sistema induttivo in grado di ricaricare una batteria pacemaker attraverso 15 mm di tessuto simulato con 85% di efficienza end-to-end. Lo studio ha concluso che con ulteriori anni di viaturizzazione clinica si può essere ulteriormente utilizzato.

Risonante Induttivo Coupling

Aggiungendo condensatori di risonanza sia a trasmettitore che a bobine di ricevitore, l'accoppiamento induttivo risonante migliora l'efficienza e la tolleranza al disallineamento. Il sistema opera a una frequenza di risonanza specifica, in modo che la distanza di 100 kHz a 10 MHz, consente di trasferire più efficacemente l'energia attraverso accoppiamenti più grandi (fino a 5-10 cm).

Diversi gruppi di ricerca hanno esplorato questo approccio per i pacemaker senza piombo, che sono piccoli, autocontenuti dispositivi posizionati direttamente all'interno del cuore. Poiché i pacemaker senza piombo non hanno conduce che si estendono a un generatore sottocutaneo, offrono un'opportunità unica per la piena potenza wireless.

Trasferimento di energia Radiofrequenza

Radiofrequenza (RF) il trasferimento di potenza utilizza antenne per irradiare le onde elettromagnetiche a frequenze da 900 MHz fino a diversi gigahertz. L'impianto contiene una rectenna (antenna rettificatrice) che converte l'energia RF ricevuta in potenza DC.

I ricercatori stanno studiando tecniche di teleformazione e trasmettitori phased-array per focalizzare l'energia RF sull'impianto, migliorando l'efficienza. Uno studio del 2021 dell'Università di Washington ha dimostrato un monitor cardiaco a potenza RF che ha raccolto 100 μW continuamente attraverso 3 cm di tessuto, sufficiente per telemetria periodica ma non per pavimentazione ad alta velocità.

Trasferimento di potenza basato su ultrasuoni

L'ultrasound utilizza onde sonore ad alta frequenza (di solito 1-10 MHz) per trasportare energia meccanica attraverso il tessuto. Un trasduttore piezoelettrico esterno emette onde ultrasoniche focalizzate, che vengono ricevute da un secondo elemento piezoelettrico sull'impianto, convertendo la vibrazione meccanica in energia elettrica.

L'esposizione di bendalini a ultrasuoni richiede un buon accoppiamento acustico e una linea di tenuta tra il trasmettitore e il ricevitore. Le tasche dell'aria (per esempio nei polmoni) possono bloccare il fascio, e le costole possono creare ombreggiature. Tuttavia, per gli impianti subpectoral, un trasduttore del torace può mantenere un percorso acustico coerente A 2023 recensione in

Vantaggi chiave su dispositivi tradizionali alimentati a batteria

L'implementazione del trasferimento di potenza wireless negli impianti cardiaci conferisce vantaggi che si estendono ben oltre l'eliminazione della chirurgia di sostituzione della batteria:

  • Agli interventi chirurgici redotti. Rimozione della necessità di sostituzione del generatore significa che i pazienti subiscono meno operazioni durante la loro vita. Questo riduce il rischio di infezione cumulativa, abbassa l'incidenza delle complicazioni tascali e riduce il peso sulle risorse chirurgiche.Per i pazienti pediatrici, che possono avere bisogno di decine di sostituzioni durante una vita, questo vantaggio è trasformativo.
  • Le dimensioni del dispositivo più grandi e l'estetica migliorata. I CIED attuali sono vincolati dalla batteria, che occupa una grande porzione del volume del dispositivo. Con una batteria più piccola o nessuna, gli impianti possono essere notevolmente miniaturizzati. I pacemaker senza piombo stanno già avvicinando la dimensione di una grande capsula di vitamina; l'alimentazione wireless potrebbe renderli ancora più piccoli e adatti per l'impianto tramite catetere in un catetere in un processo.
  • Funzionalità potenziata. La potenza continua consente il monitoraggio sempre attivo, la diagnostica avanzata e le funzionalità di data-intensiva come il rilevamento dell'aritmia in tempo reale con elettrogrammi ad alta risoluzione.
  • Migliorata la sicurezza e la qualità della vita del paziente. I pazienti non devono più subire ripetute valutazioni preoperative, soggiorni ospedalieri o periodi di recupero. Il carico psicologico di sapere che un dispositivo avrà bisogno di sostituzione è eliminato. Inoltre, la potenza wireless apre la porta alla gestione del dispositivo veramente remoto, dove un paziente può ricaricare il proprio impianto da un gilet indossabile o un pad mentre dorme.
  • Ai costi sanitari a vita bassa. Sebbene i sistemi di ricarica wireless aggiungano le spese anticipate, l'eliminazione di interventi di sostituzione, complicazioni associate e ricovero è previsto per produrre risparmi netti. I modelli economici della salute stimano una riduzione del 40-60% dei costi legati al dispositivo a vita per i pazienti pacemaker se la potenza wireless diventa standard.

Stato attuale di ricerca e di sperimentazione clinica

Il campo si sta muovendo rapidamente dalle dimostrazioni di banco verso sistemi di livello clinico. Molte università e aziende medtech stanno sviluppando piattaforme di potenza wireless proprietarie. Ad esempio, i ricercatori dell'Università della California, Los Angeles, hanno costruito un sistema di potenza wireless completamente impiantabile per dispositivi di assistenza ventricolare che utilizzano un collegamento induttivo risonante e una bobina di ricevitore flessibile che si conforma alla forma del dispositivo.

Un altro notevole sforzo deriva dall'Istituto Karolinska in Svezia, dove un team ha sviluppato un pacemaker senza piombo ultrasuoni che raccoglie energia da un trasduttore posto sulla pelle. In uno studio del 2022 a prova di concetto animale, hanno accelerato con successo un cuore di ratto a tassi fisiologici utilizzando solo energia ultrasuoni, senza batteria a bordo. Il gruppo sta ora lavorando per scalare il sistema per i cuori di prima grandezza umana e per il finanziamento umano.

Sul lato commerciale, WiTricity Corporation, nota per il suo lavoro nella ricarica dei veicoli elettrici, ha concesso la sua tecnologia di accoppiamento risonante ad un importante produttore di dispositivi cardiaci. Mentre i dettagli rimangono riservati, la partnership suggerisce che un sistema di livello clinico potrebbe essere sottoposto a studi di fattibilità.

Gli ostacoli normativi rimangono significativi. L'amministrazione alimentare e della droga degli Stati Uniti (FDA) richiede test rigorosi per garantire che l'esposizione cronica ai campi elettromagnetici non causa riscaldamento dei tessuti, stimolazione nervosa, o interferenze con altri dispositivi impiantati. La guida recente della FDA sui dispositivi medici wireless suggerisce un percorso che include test di compatibilità elettromagnetica e modellazione termica.

Prospettive future e sfide rimanenti

Nonostante i progressi sostanziali, diversi ostacoli devono essere superati prima che la potenza wireless diventi standard per gli impianti cardiaci:

Sicurezza e gestione termica

La soglia per danni termici è di circa 6°C sopra la temperatura corporea, ma i limiti normativi sono più conservatori, limitando in modo significativo l'aumento della temperatura a 2°C. Gli algoritmi di controllo adattivo possono modulare la potenza trasmessa in base a sensori di temperatura in tempo reale, ma questi aggiungono la complessità.

Interferenza e compatibilità elettromagnetica

Gli impianti cardiaci devono funzionare in modo affidabile in presenza di scanner MRI, apparecchiature diathermy e altri dispositivi medici. I trasmettitori di potenza wireless generano forti campi elettromagnetici che potrebbero indurre le correnti in cavi o disturbare i circuiti di rilevamento dell'impianto. I nuovi progetti senza piombo riducono questo rischio eliminando i cavi, ma sono necessari un attento schermatura e pianificazione della frequenza.

Adozione utente e quotidianità

Per la ricarica quotidiana, il paziente deve indossare o dormire con un trasmettitore esterno. Ciò richiede una fonte di energia (ad esempio, una batteria in un giubbotto, un pad di ricarica sul comodino) che è conveniente e affidabile. Gli ingegneri stanno esplorando indumenti induttivi che possono essere indossati come una cinghia del petto, ma comfort, igiene e conformità rimangono preoccupazioni. Alcuni gruppi di ricerca hanno proposto utilizzando energia ambientale raccolta da movimento del corpo o gradienti termici, ma questi forniscono solo microwatt.

Miniaturizzazione e costi

Il rinvigorimento del circuito del ricevitore per adattarsi all'interno di un dispositivo di spessore di 2 mm, pur mantenendo l'efficienza del >50% è una sfida non banale e di produzione. I progressi nei nitruri di gallio (GaN) e gli amplificatori di potenza flessibili stampati-circuito-board stanno abbassando i costi, ma i componenti aggiunti aumenteranno inizialmente il prezzo di ogni impianto.

Proseguendo, la potenza wireless potrebbe consentire di ottenere nuove classi di dispositivi cardiaci: pacemaker bioresorbabili che si dissolvono dopo pochi mesi, microstimolatori iniettabili per la terapia mirata, e sistemi a ciclo chiuso che forniscono energia su richiesta da una fonte esterna indossata come patch. L'integrazione con le reti di sensori e l'intelligenza artificiale potrebbe consentire al dispositivo di prevedere aritmie e ricevere preventivamente la potenza per un rapido obiettivo senza defibrillazione della batteria.

La convergenza di un efficiente trasferimento di energia, materiali intelligenti e chiarezza normativa spingerà l'energia wireless da una curiosità sperimentale a uno standard di cura. Il prossimo decennio vedrà probabilmente entrare nel mercato i primi sistemi clinicamente approvati, inizialmente per i pacemaker senza piombo e infine per tutti i dispositivi impiantabili cardiaci. Per i pazienti, quel futuro significa un meno intervento chirurgico a cui preoccuparsi - e una qualità di vita che non è più misurata nei cicli di batteria.