I dispositivi medici impiantabili sono classificabili in due categorie: attivi e passivi. I dispositivi medici impiantabili attivi, e tra questi gli organi artificiali interni, richiedono per il loro regolare funzionamento la continua disponibilità di una fonte di energia. L’energia necessaria può essere estratta dalle regioni dell’organismo circostanti il dispositivo impiantato oppure deve essere trasmessa dall’ambiente circostante al dispositivo, in maniera periodica o continua. A seconda della forma di energia resa disponibile è, infine, spesso, necessario elaborarla e convertirla nella forma di energia più adatta per il funzionamento del dispositivo. In molti casi questa forma è quella elettrica, grazie alla sua facilità di modulazione e di accumulo. Da un punto di vista energetico, gli organi artificiali generalmente presentano la caratteristica di richiedere l’elaborazione di quantità significative di fluidi incomprimibili, con masse volumiche dell’ordine dei 1.000 kg/m3, in circuiti che possono presentare resistenze non trascurabili. A titolo di esempio, in un adulto sano il ventricolo sinistro fornisce una portata media di 5 l/min di sangue a fronte di una resistenza complessiva media del circuito di circa 12 kPa (90 mmHg), mentre i reni trattano una portata di sangue di circa 1 l/min a fronte della medesima resistenza media, con quantità di acqua filtrata e riassorbita che raggiungono i 90 litri al giorno. La generazione di queste portate può essere ottenuta mediante sistemi pompanti a flusso continuo (turbopompe) oppure volumetrici. Le turbomacchine non richiedono la presenza di valvole, ma sono in generale di difficile progettazione quando si richieda di operare con portate bruscamente variabili. Le pompe volumetriche, invece, richiedono la presenza di valvole per direzionare il fluido e si prestano bene alla generazione di flussi pulsatili. Tutte queste necessità innalzano in maniera non trascurabile la quantità di energia necessaria al funzionamento di un organo artificiale rispetto a molti altri dispositivi medici impiantabili attivi. L’azionamento pneumatico, infine, non viene in generale utilizzato per sistemi completamente impiantabili a causa dell’energia necessaria per la pressurizzazione dell’aria e delle difficoltà di controllarne il livello. Una delle caratteristiche fondamentali di un dispositivo medico impiantabile attivo è quella di possedere una adeguata autonomia energetica unita ad una buona stabilità di erogazione. Questa necessità si traduce, in termini di requisiti di progetto, nella individuazione delle modalità per la generazione o la fornitura dell’energia necessaria, per il suo accumulo e per la sua trasformazione in altre forme, più adatte al funzionamento del dispositivo – in modo reversibile o in modo irreversibile (e quindi con la trasformazione di una sua parte in calore per effetto della produzione di entropia) – e la sua distribuzione ai vari componenti, il tutto con la massima efficienza. L’obiettivo del presente capitolo è quello di illustrare sinteticamente le principali sorgenti energetiche utilizzabili per il funzionamento degli organi artificiali interni e di evidenziarne gli aspetti critici e le soluzioni tecnologiche attualmente utilizzate.

Attuazione e fonti di energia per organi interni

DUBINI, GABRIELE ANGELO
2014-01-01

Abstract

I dispositivi medici impiantabili sono classificabili in due categorie: attivi e passivi. I dispositivi medici impiantabili attivi, e tra questi gli organi artificiali interni, richiedono per il loro regolare funzionamento la continua disponibilità di una fonte di energia. L’energia necessaria può essere estratta dalle regioni dell’organismo circostanti il dispositivo impiantato oppure deve essere trasmessa dall’ambiente circostante al dispositivo, in maniera periodica o continua. A seconda della forma di energia resa disponibile è, infine, spesso, necessario elaborarla e convertirla nella forma di energia più adatta per il funzionamento del dispositivo. In molti casi questa forma è quella elettrica, grazie alla sua facilità di modulazione e di accumulo. Da un punto di vista energetico, gli organi artificiali generalmente presentano la caratteristica di richiedere l’elaborazione di quantità significative di fluidi incomprimibili, con masse volumiche dell’ordine dei 1.000 kg/m3, in circuiti che possono presentare resistenze non trascurabili. A titolo di esempio, in un adulto sano il ventricolo sinistro fornisce una portata media di 5 l/min di sangue a fronte di una resistenza complessiva media del circuito di circa 12 kPa (90 mmHg), mentre i reni trattano una portata di sangue di circa 1 l/min a fronte della medesima resistenza media, con quantità di acqua filtrata e riassorbita che raggiungono i 90 litri al giorno. La generazione di queste portate può essere ottenuta mediante sistemi pompanti a flusso continuo (turbopompe) oppure volumetrici. Le turbomacchine non richiedono la presenza di valvole, ma sono in generale di difficile progettazione quando si richieda di operare con portate bruscamente variabili. Le pompe volumetriche, invece, richiedono la presenza di valvole per direzionare il fluido e si prestano bene alla generazione di flussi pulsatili. Tutte queste necessità innalzano in maniera non trascurabile la quantità di energia necessaria al funzionamento di un organo artificiale rispetto a molti altri dispositivi medici impiantabili attivi. L’azionamento pneumatico, infine, non viene in generale utilizzato per sistemi completamente impiantabili a causa dell’energia necessaria per la pressurizzazione dell’aria e delle difficoltà di controllarne il livello. Una delle caratteristiche fondamentali di un dispositivo medico impiantabile attivo è quella di possedere una adeguata autonomia energetica unita ad una buona stabilità di erogazione. Questa necessità si traduce, in termini di requisiti di progetto, nella individuazione delle modalità per la generazione o la fornitura dell’energia necessaria, per il suo accumulo e per la sua trasformazione in altre forme, più adatte al funzionamento del dispositivo – in modo reversibile o in modo irreversibile (e quindi con la trasformazione di una sua parte in calore per effetto della produzione di entropia) – e la sua distribuzione ai vari componenti, il tutto con la massima efficienza. L’obiettivo del presente capitolo è quello di illustrare sinteticamente le principali sorgenti energetiche utilizzabili per il funzionamento degli organi artificiali interni e di evidenziarne gli aspetti critici e le soluzioni tecnologiche attualmente utilizzate.
La bioingegneria: dal recupero funzionale all'organo artificiale
9788855532778
Sorgente energetica; Trasmissione transcutanea dell'energia; Energy harvesting; Cuore artificiale totale
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