Ricerca Stanford: dispositivi medici nel flusso sanguigno

Un gruppo di scienziati della Stanford University ha presentato in questi giorni durante la Solid-State Circuits Conference un piccolo dispositivo medicale che può essere impiantato o iniettato nel corpo umano ed in grado di muoversi in maniera controllata all'interno di un fluido, grazie alla possibilità di essere alimentato con tecnologia wireless.

La ricerca è stata condotta dall'ingegnere elettrico Ada Poon, assistente professore per la Stanford School of Engineering, che commenta: "Un dispositivo di questo tipo potrebbe rivoluzionare la tecnologia medica. Le applicazioni possono comprendere ogni cosa, dalla diagnostica a interventi chirurgici minimamente invasivi".

Alcuni di questi nuovi dispositivi, come sonde cardiache, sensori di pressione, impianti cocleari, pacemakers e iniettori di medicinali potrebbero essere impiantati in forma stazionaria all'interno del corpo Altri, come invece i due esemplari mostrati da Poon, possono viaggiare all'interno del flusso sanguigno per erogare medicinali, effettuare analisi ed eventualmente rimuovere coaguli e placche arteriose.

Da diverso tempo il mondo della ricerca medica sta provando ad approcciarsi alla progettazione di dispositivi impiantabili, ma molte delle possibili implementazioni devono fare i conti con le esigenze di alimentazione di tali dispositivi, laddove la maggior parte del loro volume è di fatto occupato da batterie che devono, tra l'altro, essere sostituite periodicamente.

Teresa Meng, professore di ingegneria elettrica e computer science a Stanford, nonché coautrice della ricerca, commenta: "Siamo diventati piuttosto bravi a rimpicciolire i componenti elettronici e meccanici degli impianti ma lo stoccaggio enegretico è rimasto indietro sul percorso della miniaturizzazione. Questo ci ostacola quando dobbiamo inserire impianti nel corpo, ma crea anche il rischio di corrosioni o della rottura di cavi, per non parlare della sostituzione delle vecchie batterie".

I dispositivi realizzati da Poon prevedono invece la presenza di un trasmettitore radio al di fuori del corpo che invia segnali ad un dispositivo all'interno del corpo umano, il quale li raccoglie mediante un'apposita antenna. Il trasmettitore e l'antenna sono magneticamente accoppiati, in modo tale che qualsiasi cambiamento nel flusso di corrente del trasmettitore induce una differenza di potenziale nell'antenna. L'energia viene così trasferita elettromagneticamente ed il dispositivo all'interno del corpo umano può utilizzare la corrente elettrica per le proprie funzioni.

Per arrivare a questo punto Poon ha dovuto sovvertire una serie di convinzioni radicate da anni riguardanti il trasferimento di energia all'interno del corpo umano mediante onde elettromagnetiche. Per molti decenni gli scienziati hanno studiato l'alimentazione wireless di dispositivi impiantabili seguendo una serie di modelli matematici.

Questi modelli descrivevano un comportamento non idoneo per le onde ad alta frequenza, con il loro esponenziale indebolimento man mano che viaggiano in profondità nel tessuto umano. Di contro i segnali a bassa frequenza riescono a penetrare bene nel tessuto ma richiedono antenne di qualche centimetro di diametro per generare sufficiente energia e quindi troppo larghe per poter transitare nell'apparato circolatorio se non nelle arterie più grandi. I modelli matematici hanno quindi mostrato una sostanziale impossibilità di procedere e per questo gli ingegneri non hanno mai provato a realizzare questi dispositivi.

Poon ha però iniziato a considerare più attentamente i modelli matematici, realizzando che fino ad ora gli scienziati si sono approcciati in maniera sbagliata al problema. Nei modelli il tessuto umano è stato considerato come fosse un buon conduttore di elettricità e quindi governato da determinati principi matematici. Poon ha invece provato ad imboccare un percorso differente, considerando il tessuto umano come dielettrico, ovvero come un cattivo conduttore di elettricità. In un dielettrico le onde radio possono continuare a viaggiare e sulla base di questa considerazione Poon ha rielaborato i modelli, scoprendo che le onde ad alta frequenza viaggiano in maggior profondità nel tessuto umano rispetto a quanto originariamente supposto.

"Quando abbiamo esteso queste considerazioni usando un semplice modello di tessuto ed impiegando frequenze maggiori, abbiamo realizzato che la frequenza otttimale per l'alimentazione wireless è di circa 1 GHz, 100 volte più alta di quanto stimato in origine". Queste considerazioni hanno portato Poon alla realizzazione di un'antenna di appena due millimetri quadri, sufficientemente piccola da poter viaggiare nel flusso sanguigno e tramite la quale ha realizzato due dispositivi caratterizzati da metodi di propulsione differenti.

"C'è ancora un'ampio margine di miglioramento e molto lavoro da fare prima che questi dispositivi possano essere pronti per le applicazioni mediche. Ma per la prima volta la possibilità sembra più vicina che mai" ha commentato Poon. La ricerca è stata possibile grazie al supporto di C2S2 Focus Center, Olympus Corporation e Tawian Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).

Nelle scorse settimane anche il MIT ha avuto modo di presentare i risultati di un trial clinico di un mircochip impiantabile nell'organismo umano per la somministrazione di farmaci da remoto. Ne abbiamo parlato in questa notizia.