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Il pacemaker senza batteria ad energia solare

All’Università di Berna è stato progettato il primo pacemaker senza batteria alimentato da celle fotovoltaiche che convertono la luce solare transcutanea in energia elettrica. La rivista Heart Rhythm presenta i primi traguardi traguardi.

I pacemaker attualmente in uso sono alimentati da una batteria che hanno una durata limitata. Il paziente portatore di pacemaker deve quindi sottoporsi periodicamente a interventi per la sostituzione del dispositivo: un passaggio comune ma costoso e non esente da complicanze, quali infezioni ed emorragie.  I progressi tecnologici di questi ultimi anni stanno portando allo sviluppo di sistemi innovativi per l’alimentazione di pacemaker senza batterie che si traducono in enormi vantaggi in termini sia di qualità della vita della persona con pacemaker, sia di costi e ospedalizzazioni.

Il prototipo di pacemaker, progettato all’Università di Berna, è il primo ad essere alimentato esclusivamente ad energia solare. Si tratta di un pacemaker monocamerale, delle dimensioni di 30 x 35 x 60 mm, con incorporato un mini pannello fotovoltaico che converte in energia elettrica la radiazioni della luce solare vicino all’infrarosso che, facilmente, penetra sottocute. I risultati dei primi test di laboratorio e in vivo sul maiale – pubblicati sulla rivista Heart Rhythm – prospettano uno scenario futuro con pacemaker senza batteria, ad energia solare.

Lo studio
Il sistema ad energia solare è stato testato con misurazioni ex vivo della capacità dei moduli fotovoltaici posizionati sotto lembi di pelle di maiale dello spessore di mezzo centimetro che ha proprietà ottiche simile a quelle dell’uomo. I lembi di pelle sono stati esposti a tre diverse condizioni di luce: alla luce diretta del sole outdoor, all’ombra outdoor e indoor senza luce diretta. La capacità energetica del modulo solare calcolata in queste tre condizione è risultata rispettivamente di 1963 μW/cm (con uno scarto interquartile [IQR] di 1940–2107 μW/cm2), di 206 μW/cm2 (IQR 194–233 μW/cm2) e 4 μW/cm2 (IQR 3.6–4.3 μW/cm2).

Un risultato soddisfacente che è stato confermato dalle misurazioni condotte in vivo con due prototipi di pacemaker a camera singola con incorporato un modulo fotovoltaico di 4,6 cm2 impiantati nel maiale.  Uno dei due prototipo era dotato di un accumulatore al litio. Durante l’irradiazione, che mimava l’esposizione solare outdoor, è stata misurato l’accumulo di una quantità di energia caricata pari a 6747  μW/cm2  che supera di gran lunga il consumo di un pacemaker. Inoltre, è stato calcolato che il prototipo con la ricarica al lito aveva accumulato una quantità di energia sufficiente per per far sì che il dispositivo funzionasse in condizioni di buio completo per un mese e mezzo.

Conclusioni

La principale sfida nello sviluppo di sistemi di alimentazione ad energia solare per i dispositivi medici è riuscire a garantire un’alimentazione continua e regolare, anche in condizioni di poca luce. Lo stile di vita individuale e le condizioni climatiche influiscono su quanta energia solare può essere immagazzinata complessivamente dalla singola persona. Essenziale è la capacità del sistema di accumulare una quantità di energia sufficiente a garantire il funzionamento del dispositivo senza interruzioni.

Il prototipo del primo pacemaker ad energia solare ha  superato le prime prove in laboratorio e sull’animale in vivo dimostrando di poter superare anche periodi lunghi di oscurità con un accumulatore di energia al litio. Prima di arrivare alla sperimentazione sull’uomo, concludono gli colleghi dell’Università di Berna, saranno necessarie altre sperimentazioni outdoor e in vivo per valutare le performance sul lungo termine. Restano, inoltre, da indagare diversi aspetti legati alla sicurezza. Ad esempio: deve essere testata la condizione in cui per alcuni mesi non sia più disponibile una quantità sufficiente di luce solare.

Bibliografia

Haeberlin A, Zurbuchen A, Walpen S, et al. The first batteryless solar-powered cardiac pacemaker. Heart Rhythm 2015. doi: 10.1016/j.hrthm.2015.02.032. [Epub ahead of print]

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