Las comunicaciones dentro del cuerpo humano tienen el potencial de cambiar dramáticamente el futuro de la asistencia sanitaria. Las comunicaciones integradas de diferentes implantes y sensores en el cuerpo permitirá que los sordos puedan volver a oir, a los ciegos volver a ver y dar movilidad a las personas con discapacidad.
Las comunicaciones dentro del cuerpo también mejoran el tratamiento y el diagnóstico. Por ejemplo, un marcapasos implantado transmitirá regularmente los datos de rendimiento y el estado del paciente al consultorio de un terapeuta. Si el marcapasos detecta un paro cardíaco, el dispositivo podría enviar una señal de alerta a una estación base para alertar a un equipo de respuesta de emergencia.
Gracias a su alta velocidad en la transmisión de data y el bajo consumo de energía, los adelantos técnicos en radiofrecuencia (RF) están apoyando estos avances en los cuidados para la salud. Un elemento clave de un implante de antena al cuerpo por enlace de RF, es que debe cumplir con estrictos requisitos de límite de tamaño y biocompatibilidad. Un transmisor-receptor implantado también se enfrenta a numerosos desafíos de RF. A diferencia del rendimiento en el aire libre, el cuerpo humano es a menudo un entorno impredecible y hostil para una señal inalámbrica.
Los implantes de RF enlazados ya están en uso para una amplia variedad de aplicaciones, y hay numerosos nuevos dispositivos actualmente en desarrollo para mejorar la calidad de vida de los pacientes. Para algunas aplicaciones, tales como implantes cocleares para el oído, donde la comunicación debe ser constante. Otros, como los marcapasos o dispositivos de control de la vejiga, requieren la transferencia muy poco frecuente de datos. Independientemente de las necesidades de comunicación, el consumo de energía es limitada y el espacio son dos factores de diseño crítico.
Efectos sobre el cuerpo por transmisión de RF
Antes de considerar cualquier transmisión de datos en el cuerpo, los efectos sobre el cuerpo humano de la señal de RF debe ser comprendido. A diferencia de la comunicación habitual y constante a través del aire, los diversos tejidos y órganos dentro del cuerpo tienen su propia y única característica de conductividad, constante dieléctrica e impedancia. Como resultado, un nivel de señal dado, la propagación desde un dispositivo implantado a un receptor remoto es impredecible.
Los valores típicos de las propiedades eléctricas del músculo y la grasa se muestran en la Tabla 1. No sólo estos valores varían de persona a persona, sino que también cambiará a medida que el paciente se mueve, cambios de peso y edades. La alta constante dieléctrica (εr) trabaja para reducir ventajosamente el tamaño físico de la antena.
Tabla 1: Constante de conductividad (εr), (σ) y la impedancia característica (Zo) de humanos vs. Frecuencia (Fuente de la FCC y Scanlon Dr. William de la Universidad Queens de Belfast)Las bandas de frecuencias y niveles de potencia son regulados por el Servicio Médico de Comunicación de Implantes(MICS). El EIM opera en la banda 402-405 MHz, con un nivel de potencia estrictamente limitado a 25μW de potencia radiada efectiva (ERP). Para un implante, ERP se define como la señal de medición externa al cuerpo y no en el implante. Esto permite que el implante funcione por si mismo a mas alta potencia. El ERP para una estación base externa se mide en la antena de transmisión, por lo que la señal en el implante es la suma de una potencia baja de transmisión, la ganancia de la antena, las pérdidas de transmisión y las altas pérdidas del cuerpo. Los resultados obtenidos con este arreglo estación-cuerpo es una señal recibida muy baja.
Las pérdidas a través del cuerpo son el resultado de la atenuación por el tejido débilmente conductor y la reflexión en cada uno de los límites entre tejidos diferentes. Una pérdida del orden de 20 dB es típico, pero puede ser compensada si el implante está transmitiendo a una potencia mayor que el límite superior de 25 mW. En la recepción final, el límite de potencia esta en el transmisor de la estación base. Como la distancia entre la estación base y el implante puede ser de tres metros, el resultado es un nivel de señal baja en el implante. Esto pone presión sobre el presupuesto para el diseño del enlace. Lo que restringe mucho el alcance del enlace.
El diseño de la antena
Una alta constante dieléctrica permite que una antena sea la más grande eléctricamente de lo que sería en el espacio libre. Por ejemplo, en el espacio libre un dipolo de media onda funciona a 403 MHz y debería ser de 372 mm de largo. Sin embargo, en el músculo con una εr=47 , el tamaño se reduce a 54 mm. Un dipolo debe estar separado del implante para una mejor operación, sin embargo esto no siempre es una opción aceptable.
Las antenas pequeñas tienen eléctricamente varias desventajas, como su baja eficiencia, baja resistencia de radiación, un ancho de banda estrecho y un alto Q que los hace más difíciles de fabricar. Una antena físicamente pequeña se debe utilizar en una aplicación de implante. La forma del implante también determinará el tipo de antena utilizado. Una antena de parche puede ser adecuada para una aplicación de marcapasos, mientras que una antena helicoidal se requiere para un implante de stent o del tracto urinario.
Una antena de parche pueden ser incorporada y tomar forma del implante y trabaja con cero voltios(0V) de RF sobre una placa madre. Una forma ideal es [λ / 2 ], que en el espacio libre se traduce en una antena de medidas 372 mm y 403 MHz. Esta dimensión puede reducirse por el uso de un sustrato de alúmina con una alta constante dieléctrica, tales como (εr = 9.6) zirconio, (εr = 25) o titainia (εr = 50 a 85).
El conductor debe ser biocompatible, incluso si el implante está recubierto de un material pasivo. Para el uso a largo plazo, la elección del material se limita al platino o de platino/iridio, los cuales tienen una conductividad baja en comparación con el cobre, el oro o la plata. El oro puede ser utilizado para aplicaciones de corto plazo. La forma de un parche se define por la envoltura del implante, ya que no es aceptable tener esquinas afiladas salientes que puedan causar lesiones. Teniendo en cuenta la forma del parche, el sustrato de material debe ser de baja pérdida, pero de alta constante dieléctrica. Esto es para maximizar la resistencia de la radiación en comparación con la pérdida del conductor.
La resistencia a la radiación se puede medir con una antena parche inmersa en un cuerpo fantasma(cilindro de prueba), un cilindro de plexiglás lleno de un líquido que imita las propiedades eléctricas del músculo. (Figura 1) El punto de alimentación se puede modificar para cambiar la impedancia de entrada, pero el parche no debe ser sintonizado para resonar a la frecuencia requerida. El funcionamiento en resonancia aumentará la eficiencia, sin embargo esta frecuencia cambiará a medida que la antena está inmersa en el cuerpo fantasma. La impedancia de entrada se mide en base a una longitud de onda de 0.25λ, como la resistencia de radiación es tan baja las mediciones del analizador de redes son poco fiables. Una vez que el rango de impedancia de la antena se ha establecido, una red coincidente pueden ser diseñada. Parte de esta red debería incluir las capacidades de ajuste dentro de la transmisor-receptor.
Los patrones de radiación se hacen con el cuerpo fantasma utilizando un transmisor autónomo sumergido en el líquido. Si la antena es conectada a un cable contribuiría al patrón de radiación. Esto puede ser reducido al mínimo, pero no eliminado, con la adición de granos de ferrita. El parche se adjunta en la envoltura del implante dentro de cuerpo sin tener una conexión a tierra, es decir, la envoltura irradiara en contra-fase al parche. Esto requiere que el parche y la envoltura se auto-alimentan y sean considerados en conjunto.
La alimentación de RF para el parche es de suma importancia, tanto la envoltura como la realimentacion deben formar un sello impenetrable. La alimentación de los parches a través de un agujero en el sustrato (Figura 2) requiere una realimentación plana con la superficie superior de la envoltura. Esto sera difícil de implementar. Una alternativa es usar un cable coaxial de alimentación directa para conectarlo con el parche, similares a los utilizados para otras aplicaciones como la estimulación del corazón. (Figura 3)
Figura 2: Una RF de alimentación directa a través de un agujero en el sustrato.
Figura 3: El uso de un coaxial de alimentación directa para conectar con el parche
Las antenas de parches no siempre son las mas adecuadas; considere una válvula controlada por RF para el control de la vejiga. La válvula, la electrónica, la batería y antena todos deben caber en un tubo de 4-6 mm de diámetro. La válvula es colocada, sin necesidad de cirugía, en la uretra y se debe cambiar aproximadamente cada 60 días. Es evidente que un parche rectangular plano no es una opción, sin embargo, la forma del tubo de la válvula se puede utilizar como base para una antena helicoidal. (Figura 4)
Figura 4: Una antena helicoidal para el control de la vejiga basado en RF
Cada requerimiento necesita el diseño de una antena que se deba acomodar a cada envoltura, y no debe ser un complemento para el dispositivo.
El Implante TransceptorSi se opera de forma continua, un transmisor-receptor consume mucha corriente y reduce la vida útil del implante. Esto requeriría un método para recargar la batería mediante la conexión a un bucle inductivo(cargar la bateria sin usar cables), o el reemplazo regular de los implantes. Ambos tienen inconvenientes, pero pueden ser necesarios para aplicaciones tales como la restauración de la vista u oido.
En algunas aplicaciones, tales como el seguimiento de marcapasos, el receptor sólo funciona de manera intermitente y por períodos cortos. Durante el intervalo entre las sesiones de comunicación, el transceptor se puede poner en "modo de espera" donde se consume sólo una muy pequeña corriente, pero estará pendiente de cualquier alarma presente en la señal. La alarma se genera en la estación base externa, después de lo cual los datos pueden ser transferidos. En cada alarma el transceptor debe sintonizar la antena. Después del traspaso, el transceptor vuelve al modo de reposo del implante. Esto amplía considerablemente la vida de la batería.
El equipo puede funcionar en un modo de despertador o alarma, como se describe anteriormente, o puede iniciar la comunicación mediante el envío de un mensaje a una estación base cercana. El uso de este modo es limitado, pero podría ser útil para proporcionar una advertencia temprana de que la vida de la batería es baja. Potencialmente, un implante también podría transmitir una señal de emergencia en caso de detectar un problema de salud, tales como paro cardíaco.
En el diseño de un transmisor-receptor del implante se basa en en una señal de alarma, por lo que cada dispositivo debe tener su propio identificador único. Esto asegura que el dispositivo correcto está siendo monitoreado, o el paciente correcto está siendo tratado en un hospital regularmente ocupado.
Aplicaciones
El equipo puede ser integrado a una gama de implantes para una variedad de diferentes usos, incluido el seguimiento de marcapasos del corazón, control de la vejiga y el estímulo eléctrico funcional (FES). Estas tres aplicaciones pueden utilizar el mismo transmisor-receptor con una selección de antenas.
El funcionamiento de un marcapasos puede mejorar con el control remoto y la reprogramación según sea necesario. Por ejemplo, el estado de la batería puede ser transmitida a una estación base para proporcionar una alerta temprana de la pérdida de poder o aumentar el tiempo entre la cirugía de reemplazo. Esta aplicación requiere una transferencia de datos de gran tamaño en un tiempo relativamente corto. Los datos se pueden almacenar durante varios días o semanas antes de la transmisión.
El montaje en el tracto urinario de una válvula de radio-controlado que se opera a voluntad por el paciente o un médico puede restaurar el control de la vejiga. Esto puede mejorar considerablemente la calidad de vida de un paciente de otra manera incontinente. Este tipo de enlace requiere una transferencia de datos pequeños, a intervalos regulares, muy espaciados. Un identificador único, como parte del enlace de datos activará la válvula del paciente correcto.
El uso del FES para reemplazar la función perdida del miembro, por ejemplo parálisis como resultado de un derrame cerebral, requiere implantar para estimular los músculos o los nervios en respuesta al movimiento detectado por los sensores de otras partes del cuerpo. (Figura 5)
Figura 5: Un paciente con sensores externos de transmisión de datos a un paquete de procesador. La información entonces se retransmite a un implante para activar un músculo.
El paciente lleva un cinturón-sensor de movimiento que transmite datos a un paquete de procesador, que es usado por el paciente y es similar a un teléfono móvil. El sensor transmite a través de una distancia corta (menos de dos metros), sin los problemas o limitaciones de la transmisión en el cuerpo. Dado que el dispositivo no es un implante, una frecuencia con una potencia más alta se puede utilizar, tales como las bandas Industriales Médica y Científica (ISM).
En la operativo en tiempo real, el procesador recibe las señales de los sensores, procesa los datos y los transmite a los implantes para estimular un músculo o nervio. El procesador puede tener entradas de varios sensores y transmitir estimulos de señales a los diversos implantes. El enlace con el implante en el cuerpo utiliza el MICS de frecuencia, con el implante usando una antena montada sobe su envoltura como se describe anteriormente.
La batería del sensor en el cuerpo se carga durante la noche o se sustituye cuando sea necesario. El procesador tendrá una capacidad de batería para funcionar durante todo el día y se puede recargar durante la noche. Debido a que el receptor del implante se utiliza durante mucho tiempo la batería necesita ser capaz de cargarse de un día para otro a través de un bucle de inducción.
Un paciente con FES puede tener varios implantes RF-vinculados. Para asegurarse que la estación base se comunica con el dispositivo correcto, cada transmisor-receptor del implante debe tener un identificador único para prevenir una falsa alarma o monitoreo.
Conclusiones
Los implantes RF-vinculados se pueden utilizar para el diagnóstico, la terapia o para restaurar la función perdida. Cada requerimiento que se necesite tendrá que ser adaptado a la posición y la frecuencia de uso. Un componente clave de este sistema de comunicaciones es la antena en el cuerpo. La antena debe ser diseñada como parte del implante, y no como un complemento de lo contrario esto dará lugar a problemas de rendimiento.
El uso de la tecnología de radiofrecuencia en aplicaciones médicas promete muchos beneficios para los pacientes, incluida la mejora de los diagnósticos y el tratamiento a la medida, menos visitas al hospital, y la paz en la mente del paciente de estar seguro de que esta siendo monitoreado. Para los proveedores de asistencia sanitaria, la vigilancia del implante mejora potencialmente y reduce los costos médicos, ampliando el tiempo entre visitas al hospital y los procedimientos quirúrgicos. Estamos apenas comenzando a vislumbrar lo que se puede realizar con el uso de las comunicaciones de RF en la salud.
Fuente: Henry Higgins is with Zarlink’s Microelectronics division, and is involved in the design and development of RF links for medical applications that included synthesizer, modulator, amplifier blocks and antennas. Henry holds a Master of Science degree from the University of Bath, and is a corporate member of the IEE.
Traduciión y adaptación: ESCRITOR DE LETRAS
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