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Pequeño dispositivo inalámbrico se potencia a sí mismo a través del torrente sanguíneo

Los ingenieros de la Universidad de Stanford han demostrado cómo un pequeño dispositivo médico inalámbrico controlado externamente es capaz de impulsarse a través de la sangre, de manera similar a la película Fantastic Voyage de 1966, donde un submarino microscópico y un equipo científico se inyectan en el torrente sanguíneo de un hombre.
La profesora adjunta e ingeniera eléctrica Ada Poon dirige el Poon Research Group de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Stanford. Ella y su equipo buscan nuevas formas de utilizar la comunicación inalámbrica y las tecnologías de circuitos integrados en medicina.
A principios de este año, en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido (ISSCC) en San Francisco, ante un público de sus colegas, Poon presentó un estudio que sugiere el día en que se nos invita a "tragar al cirujano" como parte de una prueba de diagnóstico puede estar más cerca de lo que imaginamos.
Poon dijo en una comunicación de Stanford en marzo:
"Hay un espacio considerable para la mejora y queda mucho trabajo por hacer antes de que estos dispositivos estén listos para aplicaciones médicas. Pero, por primera vez en décadas, la posibilidad parece más estrecha que nunca".
Los dispositivos médicos implantables pequeños han existido por un tiempo, pero la mayoría de ellos están limitados por restricciones de potencia: sus baterías son grandes y pesadas y tienen que ser reemplazadas una y otra vez. Toman casi la mitad del tamaño del dispositivo.
El laboratorio de Poon está desarrollando un nuevo tipo de dispositivo que puede ser implantado o inyectado en el cuerpo y accionado de forma inalámbrica a través de ondas de radio electromagnéticas transmitidas remotamente desde el exterior del cuerpo. Al no necesitar batería ni cables, puede ser pequeño y sin estorbos.
La coautora del estudio, Teresa Meng, es profesora de ingeniería eléctrica y también de informática en Stanford. Ella dijo que mientras la tecnología de implantes se ha vuelto competente en la reducción de piezas electrónicas y mecánicas, el almacenamiento de energía se ha quedado atrás.
"Esto nos dificulta el lugar donde podemos colocar los implantes dentro del cuerpo, pero también crea el riesgo de corrosión o cables rotos, sin mencionar el reemplazo de baterías viejas", explicó.
Poon dijo que tales dispositivos podrían "revolucionar la tecnología médica" y ofrecer aplicaciones desde diagnósticos hasta cirugía mínimamente invasiva. Las versiones estacionarias incluyen dispositivos como bombas de drogas, implantes cocleares, marcapasos, sondas cardíacas y sensores de presión.
Sin embargo, dispositivos como los que el laboratorio de Poon está desarrollando están diseñados para viajar a través del torrente sanguíneo. Tales aplicaciones ofrecen muchos usos, incluida la administración de fármacos, el análisis de los sitios diana y, tal vez, incluso la fragmentación de los coágulos sanguíneos o la eliminación de la placa en las arterias escleróticas.
Para su fuente de energía, el dispositivo en el que trabaja el laboratorio de Poon depende de un transmisor de radio ubicado fuera del cuerpo para enviar señales mientras viaja dentro del cuerpo.
Las señales llegan a la diminuta antena de alambre enrollada del dispositivo que está acoplada magnéticamente al cuerpo del dispositivo de modo que cualquier cambio en el flujo de corriente en el transmisor externo induce un voltaje en el cable en espiral, produciendo de manera inalámbrica la energía necesaria para la propulsión y trabajando el dispositivo.
Esta descripción simple desmiente los desafíos que se superaron para crear dicho dispositivo. Uno de estos desafíos implicaba eludir algunas suposiciones establecidas sobre la entrega inalámbrica de energía al cuerpo humano.
Gran parte de las matemáticas detrás de los modelos que prueban la posibilidad de obtener ondas electromagnéticas para crear energía en un dispositivo implantado supone que el tejido humano es un buen conductor de electricidad y, por lo tanto, disiparía las ondas de radio de alta frecuencia antes de que pudieran alcanzar dicho dispositivo.
Pero cuando Poon conectó una suposición diferente, ese tejido humano es un dieléctrico, un tipo de aislador, las ecuaciones funcionaron.
Y de hecho, como resultado, el tejido humano es un mal conductor de la electricidad, pero debido a que es del tipo dieléctrico, todavía permite que las ondas de radio viajen a través de él.
El laboratorio de Poon también descubrió que el tejido humano es un dieléctrico de "pérdida baja", un gran beneficio para su aplicación porque esto significa que se pierde poca señal electromagnética en el camino hacia el dispositivo implantado.
Y cuando conectaron sus nuevas suposiciones en las ecuaciones, hicieron un descubrimiento sorprendente: las ondas de radio de alta frecuencia viajan mucho más en el tejido humano de lo que sugerían los modelos originales.
No se trataba tanto de una nueva tecnología, sino de poner nuevas matemáticas en la tecnología.
También descubrieron que la frecuencia óptima para alimentar el dispositivo de forma inalámbrica era alrededor de 100 veces mayor de lo que se pensaba, es decir, alrededor de 1 gigahertz.
Un beneficio real de este descubrimiento es que la antena podría ser unas 100 veces más pequeña de lo que se pensaba, y aún así ser capaz de generar la misma cantidad de energía para el dispositivo. La antena que Poon y sus colegas mostraron en la conferencia es de apenas dos milímetros cuadrados, lo que le permite viajar en el torrente sanguíneo humano.
El equipo de Poon ha creado dos versiones prototipo: una se mueve a medio centímetro por segundo y se basa en conducir la corriente eléctrica directamente a través del medio para propulsar el dispositivo; y el otro se mueve como alguien remando un kayak, oscila de un lado a otro a medida que una corriente generada de ida y vuelta en un lazo de alambre lo impulsa hacia adelante.
Los fondos del C2S2 Focus Center, Olympus Corporation y Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ayudaron a pagar la investigación.
Escrito por Catharine Paddock PhD

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