I recenti progressi nella tecnologia dei pacemaker comprendono un’elettronica migliorata e batterie più piccole, che rendono possibile lo sviluppo di pacemaker cardiaci senza fili (LCP). Un LCP comprende un generatore autonomo (simile a una capsula) e un sistema di elettrodi che elimina la necessità di cavi tascabili o transvenosi che spesso causano malfunzionamenti. Gli LCP presenti attualmente sul mercato trasmettono il ritmo in una singola posizione del cuore, ma per i pazienti che hanno bisogno di qualcosa di più rispetto a una stimolazione monocamerale può essere utilizzato un sistema LCP multinodo.
I sistemi LCP multinodo richiedono la sincronizzazione tra tutti i dispositivi impiantati per funzionare correttamente. Tuttavia, le tecniche di comunicazione standard utilizzate possono non essere adatte, a causa dei vincoli in termini di consumo energetico e dimensioni.
Con l’obiettivo di rendere più efficienti il sistema e la comunicazione, i ricercatori di MicroPort CRM si affidano alla simulazione per approfondire queste sfide di progettazione usando la comunicazione galvanica intrabody (IntraBody Communication, IBC). L’IBC fornisce una soluzione ottimizzata dal punto di vista energetico per facilitare la comunicazione tra i dispositivi, il che a sua volta aiuta a sincronizzare i sistemi LCP multinodo.
Ricetrasmettitori di comunicazione intrabody per applicazioni LCP
La comunicazione intrabody (IBC) è un metodo di comunicazione in campo vicino che utilizza una coppia di elettrodi per inviare un impulso attraverso il tessuto del corpo verso una seconda coppia di elettrodi, che riceve il segnale. Questo metodo funziona a bassissima potenza e non sono necessarie antenne aggiuntive perché gli elettrodi usati per il pacing forniscono anche il campo elettrico per la comunicazione.
Mirko Maldari, ingegnere elettronico in MicroPort CRM, insieme al suo team ha proposto una nuova metodologia per caratterizzare ulteriormente questo genere di canali di comunicazione. “Poiché per comunicare si utilizzano gli elettrodi [invece di bobine e antenne], con l’IBC possiamo ottimizzare sia il consumo di energia che le dimensioni”, spiega Maldari. Durante la ricerca, è stato eseguito uno studio in vivo utilizzando un sistema che consisteva in due capsule impiantate nell’atrio destro e nel ventricolo destro di un cuore, come si vede in Figura 1. Ulteriori analisi hanno coinvolto il software COMSOL Multiphysics per misurare l’attenuazione del canale e stimare quanta potenza venisse dissipata nel tessuto.
Analizzare la perdita di carico dell’IBC con la simulazione
Il team di MicroPort ha collaborato con Synopsys Inc., una società di electronic design automation, utilizzando il software Synopsys Simpleware per sviluppare un modello di un torso umano da importare nel software COMSOL Multiphysics.
Si basa su un modello umano convalidato dalla IT’IS Foundation di Zurigo; più precisamente, si tratta del modello “Duke”, che rappresenta un uomo di 34 anni.
Il modello geometrico è stato creato in modo da includere organi, muscoli, ossa, tessuti molli e cartilagine. Dopo l’importazione in COMSOL Multiphysics, è stata costruita una versione approssimata delle camere cardiache per distinguere il muscolo cardiaco dal sangue. Racconta Maldari: “Era importante per la mia applicazione che queste caratteristiche fossero incluse perché hanno proprietà elettriche diverse”. Il team ha poi progettato in COMSOL Multiphysics due capsule LCP identiche per stimare i livelli di attenuazione del canale intracardiaco.
Le capsule sono state studiate con due orientamenti diversi, entrambi a una distanza del canale di 9 cm. Le simulazioni sono state eseguite con un approccio quasistatico utilizzando l’interfaccia Electric Currents nell’AC/DC Module, un prodotto aggiuntivo di COMSOL Multiphysics, per calcolare l’attenuazione nel canale in un intervallo di frequenza compreso tra 40 KHz e 20 MHz.
I risultati in Figura 4 mostrano le posizioni della capsula dell’atrio destro (RA) nello scenario peggiore (perpendicolare) e nello scenario migliore (parallelo). Lo scenario migliore mostra una tensione differenziale più alta attraverso il dipolo ricevente.
I livelli di attenuazione in entrambi gli scenari possono essere visti in Figura 5, dove la differenza è di ~11 dB. Da 40 kHz a 20 MHz: l’attenuazione diminuisce di ~5 dB per entrambi i casi. Grazie ai risultati, Maldari e il suo team sono stati in grado di verificare che la posizione relativa e l’orientamento delle capsule hanno un forte impatto sull’attenuazione nel canale.
Per MicroPort era importante stimare i livelli di attenuazione prima di realizzare il prototipo. “Come ricercatori e scienziati, cerchiamo di ridurre il numero di test sugli animali, e la simulazione lo ha permesso”, commenta Maldari. “Si tratta di uno strumento potente per stimare il comportamento dei segnali all’interno dei tessuti biologici prima di indagarli sperimentalmente”. L’uso della simulazione ha permesso al team di definire modelli accurati per la comunicazione IBC galvanica e di ottimizzare i ricetrasmettitori per i sistemi LCP.
I futuri sviluppi dell’IBC
I piani di MicroPort per il futuro prevedono ulteriori studi, in cui si analizzerà l’effetto di alcuni parametri di input (come la dimensione dell’elettrodo e la lunghezza del dipolo) su una serie più completa di parametri del campo elettrico. Questo aiuterebbe a evidenziare la differenza di attenuazione tra i periodi diastolico e sistolico. Già da ora, i ricercatori stanno lavorando alla progettazione di un ricevitore a bassissima potenza con lo scopo di sincronizzare gli LCP. Il nuovo ricevitore potrebbe potenzialmente segnare un’innovazione rivoluzionaria per i pacemaker bicamerali.
Synopsys e Simpleware sono marchi e/o marchi registrati di Synopsys, Inc. negli Stati Uniti e/o in altri paesi.
A cura di Dixita Patel
Reference
- Maldari, Mirko, et al. “Wide frequency characterization of Intra-Body Communication for Leadless Pacemakers”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, vol. 67, no. 11, pp. 3223–3233, 2020.