Dispositivi Impiantabili Attivi - riassunto

Dispositivi impiantabili attivi

Introduzione ai dispositivi impiantabili attivi

Si definisce dispositivo medico impiantabile attivo un qualunque dispositivo medico attivo (cioè che per il suo funzionamento necessita di una sorgente energetica diversa dalla forza di gravità o il corpo umano) destinato ad essere impiantato interamente o parzialmente mediante intervento chirurgico o medico nel corpo umano o mediante intervento medico in un orifizio naturale e destinato a restarvi dopo l'intervento.

La normativa di riferimento per i dispositivi impiantabili attivi è la direttiva 90/385/CEE; essa regola la produzione e la commercializzazione di tutti i dispositivi impiantabili attivi all'interno della Comunità Europea. La normativa 90/385 è stata poi modificata dalla Direttiva Dispositivi Medici 93/42/CEE e dalla 93/68/CEE. Come tutte le direttive europee, essa descrive quali sono i passaggi necessari all'ottenimento legale della marcatura CE per un generico dispositivo medico impiantabile attivo.

Esempi di dispositivi medici impiantabili attivi

• Stimolatori cardiaci impiantabili (pacemaker)
• Defibrillatori impiantabili
• Sistemi per la somministrazione di farmaci (pompe di infusione impiantabili, ...)
• Stimolatori encefalici (controllo del tremore nel paziente parkinsoniano, ...)
• Stimolatori antalgici
• Stimolatori neuromuscolari di vario genere
• Stimolatori intestinali

Il primo dispositivo impiantabile attivo ad essere commercializzato è stato il pacemaker ed esso è ancora oggi quello con il maggior tasso di progresso tecnologico. Lo stimolatore cardiaco nasce nel 1958 negli Stati Uniti: al suo interno si potevano distinguere una batteria, un condensatore e una parte elettronica montata senza circuito stampato (costituita da due transistori unigiunzione, quattro resistori e due condensatori più piccoli), il tutto inglobato in un involucro di resina ipossilica. Complessivamente, questo dispositivo presentava un peso di 73.4 g e occupava un volume di 35 ml. Era previsto l’impiego di un solo catetere per la stimolazione ventricolare e la batteria garantiva il funzionamento continuato del dispositivo per un periodo di 2-3 anni.

Nel 1981 lo stimolatore cardiaco risultava più contenuto nelle dimensioni rispetto al predecessore (peso di 55 g e volume occupato pari a 25 ml) e offriva la possibilità di impiegare due cateteri: uno per la stimolazione atriale e uno per la stimolazione ventricolare. Si trattava di un dispositivo decisamente più complicato, in grado di monitorare l’attività elettrica di atrio e ventricolo, modificando autonomamente la terapia da applicare. L’involucro esterno dello stimolatore era costituito in acciaio al titanio, mentre la zona di attacco per i due cateteri era, ed è tutt’ora, realizzata in resina. La batteria garantiva un funzionamento continuato del dispositivo per 6-7 anni (il doppio del predecessore).

Verso la metà degli anni ’90 i pacemaker raggiunsero il peso e il volume più contenuti (nel 1995 si raggiungono pesi di 14 g e volumi di circa 6 ml). La vita stimata di uno stimolatore cardiaco si aggirava intorno ai 14-16 anni.

Nel decennio successivo le dimensioni del pacemaker tornarono nuovamente ad aumentare, a causa della continua aggiunta di nuove funzionalità e, con esse, di maggiori esigenze energetiche. Nel 2009 i pacemaker si aggiravano intorno ai 23 g di peso e 12.8 ml di volume e presentavano un’importante innovazione: la possibilità di comunicare direttamente con la ditta produttrice eventuali anomalie (funzione di home-monitoring).

Per rendere possibile la comunicazione tra il pacemaker e un opportuno ricevitore sono necessarie ingenti quantità di energia e, quindi, batterie più performanti. Anche per quanto riguarda la vita del dispositivo, si riscontra un’involuzione rispetto alla decade precedente: si passa dai 14 anni circa del 1995 a poco più di 8 anni nel 2007. Questo fatto è giustificato dal continuo progresso tecnologico che ha per protagonisti i pacemaker: ogni 5-6 anni si assiste ad innovazioni di riguardo che permettono di tutelare sempre meglio la salute del paziente, con l’effetto collaterale di doverlo sottoporre ad interventi di sostituzione del dispositivo un po’ più ravvicinati nel tempo.

Nel 2013 entra in commercio all’interno della Comunità Europea il primo stimolatore cardiaco privo di cateteri. Questo apparecchio innovativo presenta dimensioni estremamente ridotte (2 g di peso e 1 ml di volume) e viene impiantato all’interno del ventricolo destro. Esso presenta un numero di funzioni inferiore rispetto ai suoi predecessori di inizio anni 2000, ma risulta di grande utilità nel trattamento di pazienti con patologie croniche alla valvola tricuspide (evitandovi l’intromissione di un catetere).

Sorgenti energetiche

Normalmente la sorgente di alimentazione per un dispositivo impiantabile è una sorgente di tipo elettrico (anche se, alla fine degli anni ’70 in America sono stati prodotti stimolatori cardiaci funzionanti con pila atomica). Sono generalmente possibili due approcci differenti:

• Dotare il dispositivo impiantabile di una sorgente energetica interna (come ad esempio nel caso degli stimolatori cardiaci o dei defibrillatori impiantabili); si noti che, oggigiorno, quando si parla di sorgente energetica interna ci si riferisce ad una sorgente primaria, cioè alla batteria non ricaricabile.
• Provvedere alla tele-alimentazione utilizzando un sistema esterno che trasmette al dispositivo impiantato l’energia della quale esso abbisogna.

Oltre a dover alimentare il dispositivo impiantato, è necessario poter provvedere alla trasmissione di informazioni dal dispositivo stesso all’esterno (ad esempio per verificarne il funzionamento o lo stato di carica della batteria) e viceversa (ad esempio per trasferire informazioni utili a modificarne le condizioni di funzionamento).

Nei pacemaker viene oggi adottata una tecnica che, durante lo scambio di informazioni da e verso l’esterno, permette anche il trasferimento di energia necessaria a tale operazione (tele-alimentazione), evitando così di doverla prelevare dalla sorgente di alimentazione interna. Questo approccio risulta utile in virtù del fatto che, durante la fase di scambio di informazioni, il pacemaker investe parecchia energia (in venti minuti viene consumato l’equivalente energetico di tre settimane di stimolazione cardiaca continuata).

Fonti energetiche interne: le batterie

Le batterie per dispositivi impiantabili nascono con la nascita degli stimolatori cardiaci (1958). Ad essere precisi, le prime batterie non erano specifiche per dispositivi impiantabili, ma si trattava di normali batterie per le quali il produttore garantiva particolari prestazioni.

Verso la metà degli anni ’60 nasce la ditta Wilson – Greatbatch, la prima specializzata unicamente nella produzione di batterie per dispositivi impiantabili attivi. Sino al 1970 le batterie utilizzate nei dispositivi impiantabili attivi erano realizzate in ZincoeOssido di Mercurio ed avevano una durata di 24-36 mesi. Esse presentavano una serie di problemi rilevanti: lo stato di carica residua della batteria non era determinabile con certezza e, inoltre, durante il funzionamento si verificava l’emissione di idrogeno gassoso, che andava ad esercitare una forte pressione sulle pareti dell’involucro esterno, determinandone in parecchi casi la rottura.

Nel 1972 venne impiantata la prima batteria in Litio – Iodio; questo genere di batterie soppiantò completamente quelle preesistenti e sono ancora oggi lo standard per gli stimolatori cardiaci impiantabili. Nel 1984 venne presentata la prima batteria impiantabile in Litio – SVO (Ossido di Argento - Vanadio); esse sono oggi utilizzate in quasi tutti i defibrillatori impiantabili. Negli anni seguenti nacquero batterie in Litio – Cloruro di Tionile ed in Litio – CF_x (carbon mono fluoride).

Struttura di una batteria

La generica batteria è costituita sostanzialmente da un anodo e un catodo, separati tra loro da un opportuno elettrolita. Le batterie non ricaricabili trasformano energia chimica in energia elettrica per mezzo di opportune reazioni di ossido-riduzione non reversibili. Nelle batterie ricaricabili, invece, gli elementi utilizzati permettono anche di trasformare l’energia elettrica (fornita dall’esterno) in energia chimica, sfruttando reazioni di ossido-riduzione reversibili.

L’anodo è tipicamente metallico e durante il funzionamento della batteria (cioè durante la conversione di energia chimica in energia elettrica) va incontro ad un processo di ossidazione definito dalla trasformazione: +^- → +. Gli elettroni resisi disponibili rimangono imprigionati nel reticolo cristallino del metallo e possono partecipare a fenomeni di conduzione. + Lo ione, invece, migra attraverso l’elettrolita e raggiunge il catodo: qui esso si combina con il materiale costituente il catodo per andare a formare una nuova sostanza che potrà o far parte del catodo stesso o far parte dell’elettrolita.

Se si chiude con un circuito esterno il collegamento tra anodo e catodo, gli elettroni liberi generati a livello dell’anodo (che assume un potenziale negativo rispetto a quello che aveva in origine) si spostano verso il catodo, in corrispondenza del quale avverrà la reazione di riduzione: ^{- -} + → Questo processo determina il fluire di corrente elettrica lungo il circuito esterno (ovviamente con verso opposto a quello di moto degli elettroni). Se non è presente il circuito esterno, il processo di ossidazione all’anodo e di riduzione al catodo avviene fino al raggiungimento della condizione di equilibrio della cella elettrochimica. Si vengono così a formare due potenziali di semicella: uno tra anodo ed elettrolita e uno tra catodo ed elettrolita. La differenza di potenziale tra anodo e catodo è proprio uguale alla differenza tra i due potenziali di semicella citati in precedenza.

Da quanto detto si evince che la differenza di potenziale misurata ai morsetti di una generica batteria dipende da tre fattori: 1) il materiale costituente l’anodo; 2) il materiale costituente il catodo; 3) il materiale costituente l’elettrolita. A questi fattori si deve aggiungere l’effetto della temperatura: normalmente tutte le batterie per dispositivi impiantabili attivi sono caratterizzate per operare ad una temperatura di 37°C.

Chiaramente, se c’è un trasferimento di carica all’esterno della batteria (attraverso il circuito chiuso tra anodo e catodo) deve esserci anche un trasferimento di carica al suo interno: questo trasferimento di carica avviene per mezzo dell’elettrolita.

Quando si chiude il circuito tra anodo e catodo attraverso un opportuno carico (che supponiamo essere completamente resistivo) si assiste, dunque, ad un doppio trasferimento di carica:

• Un trasferimento di elettroni dall’anodo verso il catodo lungo il circuito esterno (la corrente i avrà, ovviamente, verso opposto);
• Un trasferimento di ioni dall’anodo verso il catodo per mezzo dell’elettrolita.

L’elettrolita, che deve consentire il trasferimento di ioni, può essere presente allo stato solido o allo stato liquido. Gli elettroliti liquidi hanno la caratteristica di consentire, a parità di volume occupato dalla batteria, valori maggiori della corrente di scarica (cioè la batteria presenta una resistenza interna più bassa); gli elettroliti solidi consentono di ottenere, a parità di corrente di scarica, batterie con un volume più contenuto.

Se si vuole produrre una batteria che necessita di erogare correnti piuttosto elevate, si opta per l’impiego di elettroliti liquidi (a scapito delle dimensioni della batteria stessa). Se, invece, si vuole produrre una batteria dalle dimensioni contenute, si opta per l’impiego di un elettrolita solido (a scapito del valore massimo di corrente di scarica erogabile).

Il catodo della batteria può essere solido, liquido o gassoso. Un catodo solido viene utilizzato con elettroliti sia liquidi sia solidi, mentre per un catodo liquido si sfrutta, in genere, lo stesso liquido anche come elettrolita. Per un catodo allo stato gassoso, tipicamente, si adotta come elettrolita una sostanza in cui sia disciolto il medesimo gas.

Prendiamo in considerazione una batteria in Litio – Iodio: in essa l’anodo è costituito in Litio metallico mentre il catodo è realizzato in Iodio. La reazione di ossidazione anodica è data dalla trasformazione: + ^- Li → Li⁺ mentre al catodo si verifica la reazione di riduzione: ^{- -} I₂ + 2e ^- → 2I^- La reazione complessiva, che descrive completamente il comportamento della batteria in Litio – Iodio, è riportata qui di seguito: 2Li + I₂ → 2LiI. Lo Ioduro di Litio (LiI) è un composto solido che funge da elettrolita per la batteria in Litio – Iodio. Le batterie in Litio – Iodio sono facilmente miniaturizzabili ma non permettono di ottenere correnti di scarica particolarmente elevate; sono adatte ad alimentare dispositivi che richiedono correnti molto basse per il loro funzionamento (come, ad esempio, gli stimolatori cardiaci).

Grandezze caratteristiche in una batteria

Le batterie per dispositivi impiantabili attivi sono descritte da un certo numero di grandezze che le caratterizzano, le principali delle quali sono riportate nell’elenco seguente.

• Tensione a vuoto: è la differenza di potenziale misurabile ai morsetti della batteria in condizioni di circuito aperto. Per misurare la tensione a vuoto della batteria, essa viene posta in serie con un voltmetro ideale (caratterizzato da resistenza interna infinita). Le tensioni a vuoto delle batterie impiegate in dispositivi impiantabili quali stimolatori cardiaci e defibrillatori cardioversori oscillano tra 2.8 V e 3.4 V.
• Tensione a circuito chiuso: è la differenza di potenziale misurabile ai morsetti della batteria quando essa viene chiusa su un certo carico. Se si denotano con la tensione a vuoto della batteria, con _R0 la sua resistenza interna e con la resistenza del carico _RC applicato in serie alla batteria, la tensione su quest’ultima è esprimibile dalla relazione: V = R₀ + R_C ≪ R_C. Se R ≫ R₀, allora la tensione è molto prossima alla tensione a vuoto V₀.
• Capacità della batteria: è definita come la carica elettrica totale immagazzinata nella batteria sotto forma chimica e corrisponde, quindi, alla massima carica che essa può erogare nell’arco del suo funzionamento. La capacità di una batteria viene espressa in ampere-ora, dove 1 Ah corrisponde alla carica elettrica che attraversa la sezione di un conduttore percorso da una corrente elettrica di intensità pari ad 1 A per un tempo pari ad un’ora. Se la corrente è continua, la carica elettrica corrispondente a 1 Ah sarà: Q = Δt = 1 A × 3600 s = 3,6 kC.
• Energia totale: si esprime in watt-ora e si ottiene moltiplicando la capacità della batteria per la sua tensione a circuito chiuso. Nel caso di una batteria in Litio – Iodio, caratterizzata da una capacità di 1 Ah e da una tensione a circuito chiuso pari a 2.8 V, l’energia totale è data da: E = 1 Ah × 2,8 V = 2,8 Wh = 2,8 × 3600 = 10080 J ≈ 10kJ.
• Densità gravimetrica di energia: è l’energia totale della batteria riferita all’unità di massa ed è normalmente espressa in Wh/kg. Quando si parla di dispositivi impiantabili attivi, molto spesso la densità gravimetrica di energia è riferita ad una cella di massa pari a qualche grammo, sicché la sua unità di misura è espressa in Wh/g. La densità gravimetrica di energia è una misura di quanto una cella è efficiente rispetto alla sua massa.
• Densità volumetrica di energia: è l’energia totale della batteria riferita all’unità di volume ed è normalmente espressa in Wh/l. Poiché le batterie impiegate nei dispositivi impiantabili attivi hanno generalmente volumi nell’ordine del ml, è comune esprimere la densità volumetrica di energia in Wh/ml. La densità volumetrica di energia è una misura dell’efficienza di una cella rispetto al suo volume.

È importante osservare che, da un punto di vista dell’energia totale, i vari tipi di celle impiegate all’interno dei dispositivi impiantabili attivi sono tutte confrontabili tra loro. La scelta di una batteria viene effettuata sulla base delle sue dimensioni in virtù dell’energia che da essa si intende estrarre.

Si consideri ora, a titolo di esempio, una batteria in Litio – Iodio prodotta nell’anno 2000, caratterizzata da una densità gravimetrica di energia pari a 0.25 Wh/g. Supponendo di voler progettare una batteria migliore, qual è il valore ottimale per la sua densità gravimetrica? Il numero di elettroni che una batteria in Litio – Iodio può liberare e far scorrere nel circuito esterno sono uguali al numero di atomi di Litio (poiché per ogni atomo di Litio si libera al massimo un elettrone). È evidente, quindi, che la carica erogabile dalla batteria è limitata dal quantitativo di Litio presente a livello dell’anodo.

Come visto in precedenza, la reazione chimica che caratterizza la batteria in Litio-Iodio è: 2Li + I₂ → 2LiI. Supponendo di mantenere chiuso il circuito cui è connessa la batteria, le reazioni di ossido-riduzione al suo interno hanno termine nel momento in cui o l’anodo, o il catodo, si è consumato completamente. Per non sprecare peso, è necessario progettare accuratamente il rapporto tra anodo e catodo.