Un nou sistem poate transforma țesuturile corpului într-o rețea pentru implanturi medicale

Cercetătorii de la Georgia Tech au dezvoltat un sistem prin care implanturile medicale ar putea comunica între ele folosind țesuturile corpului, fără antene și fără conexiuni wireless bazate pe unde radio. Tehnologia, numită SWANS, ar putea permite unor dispozitive precum senzorii, stimulatoarele nervoase sau pompele de administrare a medicamentelor să facă schimb de informații în interiorul organismului.

Ideea pornește de la o problemă întâlnită în cazul implanturilor actuale. Dispozitive precum stimulatoarele cardiace sau pompele de insulină funcționează în mare parte independent, iar comunicarea între mai multe implanturi este dificilă. Cercetătorii au încercat să rezolve această problemă folosind un principiu inspirat chiar de modul în care organismul transmite semnale, scrie ArsTechnica.

De ce Bluetooth nu este potrivit pentru implanturi foarte mici

Multe implanturi care comunică wireless folosesc tehnologii precum Bluetooth Low Energy sau NFC. Pentru dispozitivele aflate în interiorul corpului, aceste metode au însă mai multe dezavantaje.

Alex Abramson, inginer la Georgia Tech și coautor al studiului, explică faptul că menținerea unei conexiuni Bluetooth active poate consuma o parte importantă din energia disponibilă. Potrivit lucrării, componentele Bluetooth activate pot reduce autonomia bateriei unui implant cu până la 90%.

Undele radio întâmpină și probleme atunci când trebuie să traverseze țesuturile. Semnalul Bluetooth și cel NFC sunt puternic atenuate în organism, iar comunicarea între două implanturi devine dificilă atunci când distanța prin țesut depășește aproximativ un centimetru.

Dimensiunea antenelor reprezintă o altă limitare. Componentele Bluetooth comerciale au nevoie de dispozitive cu o lățime de cel puțin aproximativ 5 milimetri. În schimb, implanturile cu o grosime mai mică de 3 milimetri pot fi introduse cu ajutorul unei seringi, în cadrul unei proceduri ambulatorii, în timp ce dispozitivele mai mari pot necesita intervenție chirurgicală. SWANS încearcă să elimine aceste obstacole renunțând complet la comunicația radio.

Cum folosește SWANS corpul pentru transmiterea semnalelor

SWANS vine de la „Smart Wireless Autonomous Networking System” și este inspirat de modul în care sistemul nervos transmite informații. În loc să folosească nervii, tehnologia utilizează conducția ionică prin țesuturile obișnuite ale organismului.

Un hub purtabil reprezintă centrul sistemului. Acesta este construit pe o placă de circuit flexibilă care poate colecta date de la senzori, poate rula algoritmi pentru luarea deciziilor și poate transmite impulsuri electrice cu o tensiune de până la 12 volți.

Un al doilea element este un plasture format din microace din oțel inoxidabil. Acestea introduc impulsurile în organism, trecând de stratul exterior al pielii, care conduce mai slab electricitatea. În interior se află apoi o rețea de implanturi suficient de mici pentru a fi introduse cu o seringă.

Fiecare implant conține două suprafețe de recepție, un comutator cu tranzistor, o baterie și un senzor sau un actuator, cum ar fi un dispozitiv pentru stimularea unui nerv.

Când hub-ul transmite un impuls, acesta creează un câmp electric de scurtă durată care se propagă prin țesut în mai multe direcții. Toate implanturile aflate în raza semnalului îl pot detecta, dar numai cele programate să răspundă la combinația respectivă de intensitate și durată reacționează.

Cercetătorii obțin acest lucru prin combinarea unor componente electronice simple, precum rezistențe și condensatori. Astfel, fiecare implant poate fi configurat să răspundă doar când impulsul atinge anumite valori. Pragurile trebuie însă ajustate în funcție de organism și de poziția implantului.

Implanturile au fost testate în țesuturi și pe șobolani

Unul dintre avantajele importante ale SWANS este consumul redus de energie. Implanturile folosesc componente pasive atunci când așteaptă un semnal și consumă foarte puțină energie. Potrivit cercetătorilor, autonomia bateriei poate fi de peste 15 ori mai mare decât în cazul comunicației prin Bluetooth sau NFC.

Un implant complet, inclusiv bateria, măsoară aproximativ 3 × 1,1 × 17 milimetri și poate fi introdus printr-un ac de calibru 6.

Pentru testarea sistemului, echipa a folosit mai întâi piept de pui, apoi burți de porc cu piele și os. Într-un țesut gros și eterogen precum cel de porc, semnalul a trebuit să traverseze grăsime, mușchi, os și piele. Un singur impuls de 10 volți a produs un gradient electric detectabil pe o distanță de peste 30 de centimetri prin țesut și până la 14 centimetri în profunzime. Cercetătorii spun că această acoperire este de peste zece ori mai mare decât cea obținută cu Bluetooth sau NFC în condiții comparabile.

Experimentele pe șobolani au arătat că semnalele pot ajunge la implanturi aflate sub piele, în cavitatea abdominală și chiar în stomac. Poziția hub-ului nu a fost o limitare majoră. Într-un experiment, acesta a fost amplasat în zona stomacului, iar semnalul a fost folosit pentru activarea unui implant aflat în spatele animalului.

Un test mai complex a folosit senzori de deformare amplasați pe membrele anterioare ale șobolanilor. Atunci când senzorul detecta mișcarea labei stângi sau drepte, hub-ul transmitea un impuls specific prin corp. Semnalul ajungea la implantul aflat pe membrul posterior corespunzător, care stimula nervul sciatic și determina mișcarea piciorului.

Cercetătorii au demonstrat inclusiv o comunicare între două implanturi. Un dispozitiv dotat cu un senzor de temperatură transmitea informația către un al doilea implant doar atunci când detecta o temperatură mai mare de 40 de grade Celsius.

Ce ar putea însemna pentru tratamentele medicale

Echipa consideră că SWANS ar putea fi util în situațiile în care mai multe implanturi trebuie să lucreze împreună. În prezent, dispozitive precum stimulatoarele nervoase și pompele pentru administrarea medicamentelor funcționează separat. O rețea internă ar putea permite coordonarea lor în funcție de informațiile colectate de senzori.

Un exemplu oferit de Abramson este epilepsia. Un sistem care combină stimularea nervoasă cu administrarea unui medicament ar putea permite ca tratamentul să fie sincronizat cu momentul în care este necesar.

Testele de siguranță au fost încurajatoare în experimentele pe șobolani. Într-un studiu de două luni, în jurul implanturilor s-a format țesut cicatricial cu o grosime de până la un milimetru. Cercetătorii au reușit însă să mențină comunicarea prin ajustarea tensiunii în limitele considerate sigure. Impulsurile nu au stimulat alți nervi decât cei vizați, nu au modificat activitatea electrică a inimii și nu au provocat mai multă moarte celulară sau stres oxidativ decât implanturile și acele care nu erau electrificate.

SWANS are însă limite importante. Sistemul nu este conceput pentru transmiterea unor cantități mari de date, ci pentru informații esențiale, precum o temperatură sau un semnal care trebuie să declanșeze o anumită acțiune. În plus, tehnologia nu a fost încă testată pe oameni sau pe animale de talie mare în cadrul experimentelor prezentate.

Cercetătorii văd însă un avantaj în faptul că sistemul nu depinde de tipul senzorului sau al actuatorului folosit. În perspectivă, aceeași metodă ar putea conecta mai multe tipuri de implanturi și ar putea transforma dispozitivele medicale independente într-o rețea capabilă să monitorizeze organismul și să reacționeze la schimbările detectate.