Modelagem de um sistema de transferência transcutânea de energia adequado aos sistemas implantáveis de infusão contínua de insulina

A terapia utilizando bombas de infusão de insulina implantáveis é o método mais preciso e eficiente para o tratamento de pacientes portadores de Diabetes Mellitus Tipo 1, no entanto, questões como miniaturização, longetividade e biocompatibilidade dificultam a popularização do método. Em particular, o uso de baterias limitam a capacidade energética e aumentam o tamanho das bombas, além da alta toxicidade e riscos de superaquecimento associados. É investigada a viabilidade da integração de um sistema de transferência transcutânea de energia (TTE) às bombas de infusão de insulina implantáveis, com capacidade de fornecer energia elétrica sem fio através do tecido biológico humano. Serão investigados diversos esquemas de transdução e diferentes arquiteturas de sistemas de transmissão e recepção de energia, avaliando-as pela eficiência da potência transmitida e pela adequabilidade às bombas. Especificamente, este projeto é voltado aos sistemas TTE acoplados acusticamente e passíveis de integração com bombas de infusão de insulina, conferindoas autonomia energética para suprir demandas de até 72 mW. É apresentado um sistema com frequência de operação de 870 kHz capaz de energizar implantes subcutâneos localizados a uma distância de até 30 mm do transmissor. São propostos modelos computacionais, simulados utilizando ferramentas de desenho de circuitos eletrônicos, para a identificação da banda espectral de frequência, das dimensões físicas dos transdutores, dos mecanismos de casamento de impedância acústica, das topologias para geração e retificação de ondas sonoras recomendadas para se atingir a máxima transferência de potência possível. O sistema proposto demonstrou eficiência máxima de 30% capaz de suprir demandas de potência de até 72 mW. Os transdutores de transmissão e recepção utilizados foram cerâmicas piezoelétricas discoidais do tipo PZT-5A com 30 mm e 11 mm de diâmetro, respectivamente. As camadas de acoplamento acústico utilizadas foram a base gel condutivo para ultra-som com espessuras de até 2 mm. A constatação da exequibilidade de um sistema de transferência transcutânea de energia que seja adequado aos sistemas de infusão contínua de insulina constitui um passo fundamental para a construção de um sistema artificial definitivo de controle de glicose e que promete revolucionar a área de dispositivos médicos implantáveis. _____________________________________________________________________________ ABSTRACTTherapy with implantable insulin pumps is the most precise and efficient method to treat patients afflicted by Diabetes Mellitus type 1, however, issues such as miniaturization, longevity and biocompatibility difficult the popularization of this method. Particularly, batteries have limited energy budget and increase the pumps size, and are also associated with high toxicity and overheating hazards. This end-of-course project evaluates the viability in integrating a transcutaneous energy transfer (TTE) system with implantable insulin pumps, conferring a capability of supplying, virtually, unlimited power through human biological tissue. Many transduction schemes and power transceiver systems will be investigated and evaluated by its efficiency in transmitting power. Especifically, this project is concerned with ultrasonic TTE based systems as the method for energizing implanted insulin pump devices at power levels up to 100 mW. It is proposed a continuous wave 870 kHz single frequency operation to power devices implanted up to 30 mm deep subcutaneously. The proposed approach is analyzed in detail, with design considerations provided to address issues such as recommended operating frequency range, transducers’ overall dimensions, acoustic link matching, acoustic waves generation and receiver’s rectifying electronics. Global optimization and design considerations for maximum power transfer are presented and verified by means of electronic circuits simulation. The proposed system demonstrated an overall peak power transfer efficiency of 30% at 72 mW output power. The transmitter and receiver transducers consisted of PZT-5A plane discs of 30 mm diameter and 11 mm respectively, with 2 mm thick acoustic matching layer made of couplant ultrasound gel. The verification of feasibility in integrating transcutaneous transfer energy systems with continuous insulin infusion systems is a crucial step towards a definitive closed-loop artificial glucose control system and it is promised to revolutionize the field of implantable medical devices