La recolección de energía piezoeléctrica es el meollo de la cuestión

Evitar una cirugía a corazón abierto sólo para sustituir una batería es una alta prioridad en la lista de deseos de los especialistas médicos. Las baterías de los marcapasos cardíacos duran alrededor de siete años, en promedio, y a veces hasta un máximo de diez años. Las personas mayores suelen tener suficientes problemas de salud con los que lidiar, sin tener que someterse a una cirugía simplemente para cambiar la batería de su marcapasos. Cualquier procedimiento quirúrgico aumenta el riesgo de infección, sangrado severo u otras complicaciones. Los pacientes más jóvenes que necesitan un marcapasos para corregir una arritmia cardíaca, por ejemplo, se enfrentan a la perspectiva de verse sometidos a frecuentes operaciones durante toda su vida.

Por lo tanto, lograr producir un marcapasos con alimentación autónoma ha sido durante mucho tiempo el objetivo de los desarrolladores de dispositivos médicos. Convertir las vibraciones de los latidos en energía para el funcionamiento de los marcapasos es el enfoque preferido, y el tema de numerosos proyectos de investigación en todo el mundo.


Figura 1: Ilustración esquemática de un generador flexible de energía piezoeléctrica que permitirá al marcapasos funcionar con alimentación autónoma, en proceso de desarrollo en KAIST. Fuente: KAIST

El latido humano genera vibraciones a baja frecuencia, hasta 30 Hz. La recolección de energía a tan bajas frecuencias ha sido difícil debido a las frágiles propiedades de los materiales con los que se fabrican los recolectores de energía. En la actualidad gran parte de la investigación gira en torno a nuevos materiales "inteligentes" como los nanomateriales a partir de polímeros flexibles. Además, los dispositivos implantables requieren de biocompatibilidad, años de pruebas y aprobaciones específicas.

En tanto, en términos generales, la recolección de energía piezoeléctrica tiene un potencial importante para dispositivos portátiles externos. Los equipos deportivos y los productos de control de salud son ejemplos evidentes. Los monitores de frecuencia cardíaca y de rendimiento para los corredores, ciclistas y usuarios de equipos de gimnasia son muy populares. En el campo de la medicina, se utilizan relojes, pulseras y parches cada vez con mayor frecuencia para controlar a los pacientes con enfermedades cardíacas, diabetes u otras enfermedades. Más recientemente, dispositivos tales como las gafas Google Glass están demostrando cierto potencial en el sector médico y sanitario.

Este artículo examinará los últimos avances en investigación avanzada destinada a marcapasos cardíacos basados en energía piezoeléctrica, observando detenidamente los materiales utilizados y el desempeño que esgrimen. Esto proporciona una idea de cómo se desarrollará la tecnología en cuanto a las aplicaciones industriales y de consumo, y en particular, en cuanto a dispositivos portátiles.

Los dispositivos de recolección de energía piezoeléctrica que se encuentran disponibles comercialmente son cada vez más pequeños, y por lo tanto, más aplicables a los productos portátiles. Los circuitos de administración de alimentación complementaria ya están disponibles para su uso. Presentamos un típico enfoque de diseño, sobre la base de la gama de recolectores de energía piezoeléctrica de Midé Technology Volture y las placas de demostración para recolección de energía DC1459B de Linear Technology. Esta última se basa en la fuente de alimentación piezoeléctrica para la recolección de energía LTC3588-1 y está asociada a convertidores elevadores.

Reemplazo de la batería

Un equipo de investigación del Instituto Superior de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), en colaboración con la División de Cardiología de Hospital Severance de la Universidad de Yonsei, ha desarrollado un marcapasos cardíaco artificial con alimentación autónoma operado de manera semipermanentemente por un nanogenerator piezoeléctrico flexible. ¹ En las pruebas, la energía recolectada ha alcanzado 8.2 V y 0.22 mA a partir de movimientos muy pequeños. El equipo de investigación produjo nanogeneradores flexibles de alto rendimiento utilizando una delgada película de un grueso cristal único de PMN-PT.

Una vez que haya sido desarrollado con éxito, este tipo de nanogenerador piezoeléctrico flexible puede utilizarse no sólo para proporcionar suficiente energía a un marcapasos cardíaco, sino también para el seguimiento en tiempo real. En última instancia, podría ser utilizado para la alimentación de otros tipos de dispositivos de implantes médicos.

Los investigadores de los EE.UU. (Universidad de Illinois, Urbana-Champaign) han estado trabajando en un enfoque similar, con un diseño para un tipo de parche piezoeléctrico flexible capaz de capturar la energía natural de los movimientos corporales. ² El parche contiene una película fabricada de cintas de titanato zirconato de plomo (PXT) de 500 nm de espesor, rodeada de electrodos de oro y de platino, y con un estuche de poliamida.

Las pruebas han demostrado que este dispositivo biocompatible puede recolectar suficiente energía a partir de los latidos del corazón para alimentar a un moderno marcapasos. Los marcapasos modernos requieren alrededor de 0.3 µW. Se ha establecido que estos parches, cuando están conectados con el ventrículo derecho del corazón, pueden generan hasta 0.18 µW/cm². Los parches pueden constar de varias capas para producir energía más que suficiente.

En la Universidad de Waterloo (UW) Canadá, los investigadores están trabajando en un recolector híbrido de energía de banda ancha diseñado para prolongar la vida útil de la batería de manera significativa, lo cual reduce el número de cirugías del corazón que se deben realizar. La novedad de este diseño es que convierte las vibraciones ambientales en electricidad utilizando una combinación de materiales inteligentes para operar a una gama más amplia de frecuencias. Si la tasa de movimiento de la fuente de vibración disminuye, también lo hace la frecuencia y el nivel de energía producida.

Sin embargo, incluso en las frecuencias más bajas, este prototipo ha demostrado que puede continuar utilizando la fuente de vibración. La energía recolectada en el rango de 8 a 12 Hz mostraba una potencia de salida en el orden de 1 megavatios (MW). Se espera que los prototipos sean utilizados para la alimentación de sensores inalámbricos capaces de detectar roturas y daños en edificios.

Presión Arterial

Adoptando un enfoque diferente, la Université Paris-Sud está trabajando en un marcapasos que tiene la forma de una cápsula sin cables que se coloca directamente en la cámara cardíaca, en lugar de estar conectada a la pared del corazón con cables en las venas. La energía es recolectada a partir del efecto de las variaciones de la presión arterial mientras que los embalajes flexibles en la cápsula transmiten la energía sanguínea al transductor electrostático 3D interno. Las principales ventajas de este enfoque, afirman los investigadores, son una mayor densidad de potencia, la capacidad de adaptación a los cambios de frecuencia cardíaca y el potencial de la miniaturización.

Las pruebas experimentales han determinado que un transductor piezoeléctrico espiral optimizado de gran recorrido con complejos patrones de electrodo puede producir una densidad de potencia de 3 µJ/cm³ /ciclo. Los investigadores están convencidos de que, con un mayor desarrollo, el dispositivo podría ser capaz de proporcionar la energía suficiente para alimentar de manera autónoma a la próxima generación de marcapasos.

La Université Paris-Sud ha unido fuerzas con el proyecto MANpower, un consorcio europeo dirigido por el Instituto Nacional Tyndall de la Universidad de Cork. ⁴ El proyecto cuenta con importante financiamiento para desarrollar un dispositivo con alimentación continua para implantes médicos. Las áreas clave de I+D son la recolección de energía a partir de la vibración de baja frecuencia, el almacenamiento de microenergía de alta densidad, la miniaturización y el embalaje biocompatible.

Las principales cuestiones a abordar para que la recolección de energía pueda tener éxito en un marcapasos, son garantizar que los dispositivos piezoeléctricos no interfieran con el funcionamiento del corazón, con lo cual se podría exacerbar el problema que están tratando de solucionar, y además que sean capaces de funcionar durante más de diez años.

Filtro de tecnología

Eventualmente, esta investigación avanzada se filtrará para aplicaciones industriales y comerciales. La miniaturización y la eficiencia son los parámetros fundamentales para un uso más amplio. Por supuesto, la recolección de energía por vibración ya es ampliamente utilizada para alimentar una gran variedad de dispositivos de detección remota para control de maquinarias, vehículos y edificios, por ejemplo. Se utilizan en algunos productos portátiles como zapatillas de entrenamiento y otros equipos deportivos y en vigilancia de la salud.

Measurements Specialties ha desarrollado una amplia gama de productos para la medición de la vibración, algunos de los cuales son aptos para dispositivos implantables. Para aplicaciones industriales y comerciales más accesibles, la gama de la compañía incluye la serie Minisense 100, que se puede incorporar a equipos destinados a controlar signos vitales. El dispositivo 1005939 es un sensor de vibración de bajo costo y de estilo basculante, cargado de una masa. Está diseñado específicamente para funcionar a bajas frecuencias, desde 0 a 40 Hz. 

Cuando el soporte se monta en posición horizontal, la aceleración en el plano vertical crea flexión en el soporte, debido a la inercia de la masa en la punta del soporte. La tensión en el soporte crea una respuesta piezoeléctrica, que se puede detectar como una carga o salida de voltaje en los electrodos del sensor. Mide sólo 18 x 7 mm en total.

La gama Volture de recolectores de energía por vibración piezoeléctrica de Midé Technology ha sido diseñada para satisfacer la creciente demanda de suministro eléctrico remoto para redes inalámbricas de sensores. Los dispositivos pueden sustituir a las baterías, o complementar una fuente de almacenamiento de energía para prolongar los periodos de mantenimiento. El producto de frecuencia más baja de la gama, el V22BL, tiene un alcance de detección de 26 a 110 Hz.

Midé supera la desventaja de los materiales piezoeléctricos, generalmente frágiles, la cual es la característica que las nuevas líneas de investigación tratan de evitar al explorar materiales inteligentes, y fijar los cables eléctricos por anticipado para luego empacar el dispositivo en una funda protectora. Los recolectores Volture son resistentes y están sellados herméticamente para el uso en entornos hostiles.

Otra característica útil de la gama Volture es su compatibilidad con los circuitos de la fuente de alimentación piezoeléctrica LTC3588 de Linear Technology. De hecho, el circuito EHE004 de Midé para el acondicionamiento de la recolección de energía hace uso del LTC3588 para convertir la salida de CA de su recolector Volture a una salida CC regulada. Se compone de un rectificador de onda completa con administración integrada de carga y conversión CC a CC. La salida de CC puede ser configurada a 1.8, 2.5, 3.3 y 3.6 V, y la placa incluye un capacitor de 200 µF.

El dispositivo LTC3588-1, definido como una fuente de alimentación para la recolección de energía de nanopotencia, también ofrece un modo de bloqueo de subtensión de corriente de reposo de 450 nA con una amplia ventana de histéresis, de modo que puede acumular carga en un capacitor de entrada hasta que el convertidor reductor pueda transferir de forma eficaz algo de la carga almacenada a la salida. Ver un circuito típico de la aplicación en la Figura 2.


Figura 2: Fuente de alimentación piezoeléctrica LTC3588-1 para la recolección de energía en un circuito de muestra de la aplicación.

Una serie de placas de evaluación están disponibles, incluida la placa de demostración DC1459B-A que cuenta con el LTC3588-1. La guía de inicio rápido se puede descargar y además proporciona una explicación detallada de cómo funciona, con esquemas de los circuitos.

Conclusión

La investigación de nuevos materiales piezoeléctricos para la recolección de energía, específicamente para marcapasos y otros dispositivos implantables con alimentación autónoma, cuenta con el potencial para producir dispositivos más pequeños, flexibles y eficaces para el uso en el campo industrial y comercial, así como para productos portátiles para la vigilancia de la salud y equipos deportivos.

Referencias:

1. Investigación de marcapasos en KAIST
2. Investigación de marcapasos en la Universidad de Illinois
3. Investigación de marcapasos en Universidad de Waterloo, Canadá
4. Proyecto MANpower de la Universidad de Cork