ES A1. Número de publicación: PATENTES Y MARCAS. Número de solicitud: Int. Cl. 6 : A61F 2/48

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1 k 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 k Número de publicación: k Número de solicitud: k Int. Cl. 6 : A61F 2/48 k 12 SOLICITUD DE PATENTE A1 k 22 Fecha de presentación: k 43 Fecha de publicación de la solicitud: k Solicitante/s: Universidad Politécnica de Madrid C/ Ramiro de Maeztu, Madrid, ES Universidad Politécnica de Cataluña 72k Inventor/es: Algora del Valle, Carlos y Castañer Muñoz, Luis k 43 Fecha de publicación del folleto de la solicitud: k 74 Agente: No consta k 4 Título: Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables. ES A1 7 k Resumen: Sistema de telealimentación fotovoltáica a través de fibra óptica para dispositivos médicos implantables. Sistema de suministro energético para dispositivos implantables. El aporte energético se realiza mediante la electricidad generada por un convertidor fotovoltaico que transforma la luz que llega, a través de la fibra óptica, desde zonas externas al sujeto. Esto permite el funcionamiento permanente de los dispositivos implantados y posibilita el desarrollo de futuros dispositivos de elevado consumo al eliminarse las limitaciones energéticas que caracterizan las baterías actuales. El sistema consta de una fuente de luz (1) externa al cuerpo del paciente, una fibra óptica (3) que se extiende desde un punto superficial del paciente hasta el dispositivo implantable (4) y un convertidor fotovoltaico () situado en el interior del dispositivo y al cual llega la fibra óptica. Finalmente, una etapa acondicionadora (6) se encarga de adecuar la potencia eléctrica generada por el convertidor fotovoltaico a las necesidades del resto de los componentes (7) del dispositivo implantable. Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, Madrid

2 1 ES A1 2 DESCRIPCION Sistema de telealimentación fotovoltaica a través de fibra óptica para dispositivos médicos implantables. Se describe un sistema de suministro energético para dispositivos médicos implantables. El aporte energético se realiza mediante la electricidad generada por un convertidor fotovoltaico que transforma la luz que le llega, a través de fibra óptica, desde zonas externas al sujeto. Esto permite el funcionamiento permanente de los dispositivos implantados al eliminarse las limitaciones energéticas. Cada vez son más las enfermedades y disfunciones que se corrigen o controlan mediante la implantación en el cuerpo del paciente de dispositivos que realizan la función del órgano dañado. Actualmente, ya son realidades instrumentos como el marcapasos convencional, el marcapasos antitaquicárdico y el desfibrilador automático implantable que se destinan a corregir irregularidades como taquicardias, fibrilación cardíaca auricular o ventricular, etc. Otros se encuentran en desarrollo, o lo estarán en el futuro, como las bombas de infusión de fármacos, los estimuladores antidolorosos, el corazón y el riñón artificial implantables. La historia de los dispositivos médicos implantables ha visto cómo los avances en las baterías, circuitería y tecnología han permitido un tremendo progreso de sus capacidades funcionales, en paralelo con un sustancial aumento de su longevidad y reducción de tamaño. Un dispositivo implantable consta, básicamente, de: a) un actuador encargado de realizar la función física para la que ha sido concebido y b) una electrónica de control tanto del actuador como de otros elementos auxiliares. Ambas partes necesitan energía (generalmente eléctrica) para su funcionamiento, lo que se logra mediante el aporte suministrado por una batería. Inicialmente se utilizaron baterías de níquelcadmio y de mercurio-zinc que tenían los inconvenientes de su reducida duración y de su tamaño considerable. Las baterías nucleares aparecieron como la solución a estos problemas pero pronto se vio que las normas que las regulaban eran demasiado exigentes, por lo que fueron descartadas. Posteriormente, aparecieron las baterías de litio que tenían una duración similar a las nucleares y no estaban gravadas con aquellas estrictas normas de seguridad. Además, estas baterías ofrecían ventajas adicionales como la incorporación de un indicador de descarga, la inexistencia de corriente de pérdidas interna y la ausencia de residuos gaseosos durante su funcionamiento. Por ello, las baterías de litio son las que, desde entonces y hasta nuestros días, se han venido utilizando mayoritariamente como fuente de energía para los dispositivos médicos. Sin embargo, y pesar de las progresivas sofisticaciones tendentes al aumento de su longevidad, el concepto de batería es inherente al almacenamiento de una cantidad de energía limitada que se agota pasado un cierto tiempo, lo que conduce, en el caso de los dispositivos médicos implantables, a tres situaciones: a) La sustitución de las baterías gastadas (o, más exactamente, de todo el dispositivo implantable debido a la integración de todos sus componentes en un sólo bloque hermético) por otras nuevas. Esta sustitución se realiza mediante una intervención quirúrgica que conlleva molestias y, a veces, riesgos para el paciente, además de sustanciales gastos sanitarios lo que contradice la creciente presión en todos los países para reducir los costes del Sistema de Salud. b) La limitación en el desarrollo de aquellos dispositivos implantables ya existentes. En efecto, durante su evolución los dispositivos han ido reduciendo progresivamente la energía consumida por los actuadores, lo que ha permitido y permitirá la dedicación de la energía ahorrada a otras funciones. De las diversas posibilidades futuras en las que invertir este ahorro energético, todas las tendencias indican que se utilizará principalmente en el incremento de la automatización y en la incorporación de procedimientos de seguimiento (telemetría) y diagnóstico. Por ejemplo, en un marcapasos convencional estos aspectos constituyen ya el 0-6 % del consumo total de energía en condiciones nominales y se espera que lleguen hasta el 9 % en un futuro próximo. Pero si el ahorro energético conseguido en el actuador se dedica a estas funciones no se puede emplear en otras posibilidades no menos atractivas como en el aumento de la vida de las baterías o en la disminución del tamaño de éstas (que al ocupar la mayor parte del dispositivo, redundaría en una considerable miniaturización de éste). Por tanto, aparece un compromiso entre las diversas opciones en las que utilizar el ahorro energético logrado por los actuadores, lo que supone una limitación importante al no poder optar, simultáneamente, por todas ellas. c) El estancamiento en el desarrollo de futurosdispositivosimplantablesque requieran una cantidad de energía considerable para el desempeño de sus funciones, ya que actualmente la única alternativa consiste en el aumento considerable de su tamaño para albergar baterías mayores o en la aceptación de una efímera longevidad del dispositivo claramente inadmisible. Este es el caso de los desfibriladores, que al tener que generar tensiones eléctricas elevadas demandan una gran cantidad de energía de la batería, lo que hace que su longevidad típica sea de tan sólo 2 ó 3 años. Otros ejemplos, como el del corazón artificial implantable cuyo elevadísimo consumo energético es inabordable para las baterías actuales, ven frenado su desarrollo ante la inexistencia de fuentes de energía más potentes y duraderas. Por tanto, parece necesaria la creación de un procedimiento que solucione los tres problemas anteriores. En consecuencia, la idea subyacente

3 3 ES A1 4 de esta Invención es, la de disponer de una fuente de energía inagotable (en términos del consumo de los dispositivos implantables y de la vida del paciente). Para ello, el sistema propuesto consta (véase figura 1) de una fuente de luz (1) externa al cuerpo del paciente, una fibra óptica (3) que se extiende desde un punto superficial del paciente hasta el dispositivo implantable (4), un convertidor fotovoltaico () situado en el interior del dispositivo y al cual llega la fibra óptica. Finalmente, una etapa acondicionadora (6) se encarga de adecuar la potencia eléctrica generada por el convertidor fotovoltaico a las necesidades del resto de los componentes (7) del dispositivo implantable. Esta etapa, dependiendo del dispositivo implantable, podría no ser necesaria. Su funcionamiento es el siguiente: la luz llega desde el exterior del paciente hasta la fibra óptica que la conduce por el interior del cuerpo hasta el convertidor fotovoltaico. Este transforma directamente la potencia luminosa en eléctrica, por lo que la luz que le llega a través de la fibra óptica la convierte en electricidad. Finalmente, la energía eléctrica generada por el convertidor se entrega a una etapa electrónica que se encarga de acondicionarla, bien sea para su utilización directa o para su almacenamiento en acumuladores de energía, de manera que pueda utilizarse posteriormente en el dispositivo implantable. En consecuencia, el sistema permite que se disponga permanentemente de energía suficiente para el funcionamiento correcto del dispositivo implantable, lo que se traduce en: la duración ilimitada de su funcionamiento. la disponibilidad de niveles de energía suficientes para incorporar nuevas funciones a los dispositivos ya existentes y/o para la creación de otros nuevos de elevado consumo. la miniaturización, al no requerirse voluminosas baterías que garanticen una autonomía de varios años. Sin embargo, a primera vista no todo son ventajas, ya que el sistema propuesto podría presentar objeciones desde el punto de vista médico como: la eventualidad de rechazo de la fibra óptica por el paciente o de otros problemas similares, puesto que la fibra se ubicaría permanentemente en el interior del cuerpo, la posibilidad de infección, debido a que un extremo de la fibra llega hasta la superficie exterior del paciente, constituyendo una zona abierta al exterior susceptible a la penetración de microbios y virus. Afortunadamente, ambas situaciones no se traducen en verdaderos problemas, ya que: la fibra óptica es biocompatible: se fabrica con materiales plásticos inertes (de grado médico ) cuya implantación para otras funciones médicas ya ha sido experimentada con éxito la fibra óptica tiene un diámetro muy reducido: esdetansólo algunas decenas de micras (parecido al de un cabello). Por tanto, en el extremo exterior de la fibra se produciría el cierre con la piel, o epitelización, de manera que se cegaría definitivamente el camino a infecciones. Situaciones más complicadas ya se han resuelto satisfactoriamente. Tal es el caso de los depósitos internos subcutáneos por los que se introducen periódicamente analgésicos en las Unidades de Dolor Hospitalarias. El sistema propuesto, al ser de propósito general para cualquier dispositivo implantable, admite varias alternativas, especialmente, en lo referentealtipodeluzqueseacoplaenlafibra. Así, podría utilizarse luz ambiente de manera que el aporte energético luminoso aunque débil sería casi permanente. Pero también podría utilizarse una luz más específica como la proveniente de fuentes como los láseres, diodos emisores de luz o bombillas, de forma que el aporte energético luminoso sería muy intenso aunque ocasional. Esta conexión directa de la fibra óptica a una fuente de luz abre otra posibilidad: la utilización de la misma fibra (por la que se envía la energía luminosa desde el exterior al interior del paciente) o de otra anexa, para transmitir los datos recogidos por el dispositivo implantable desde el interior hacia el exterior. De esta manera, el sistema propuesto intercambiaría energía e información entre el paciente y el exterior. Es decir, podría ser un sistema unidireccional desde el punto de vista energético (exterior paciente) y bidireccional desde el punto de vista de la transmisión de información (exterior paciente). Otra de las posibilidades que exhibe el sistema es la de su utilización como unidad central energética que alimente no a uno, sino a varios dispositivos implantables. De esta forma, en sujetos que requirieran el implante de más de un dispositivo no sería necesaria una conexión de fibra al exterior del cuerpo por cada dispositivo, sino una sola hasta el convertidor fotovoltaico. Este se constituiría como unidad central generadora de energía desde la que se distribuiría hasta cada dispositivo implantable. De entre las múltiples formas de fabricación del sistema propuesto (7), una posible sería la siguiente (véase Figura 2). El convertidor fotovoltaico () se situaría en el interior del dispositivo implantable (4). Sus terminales electrónicos se conectarían a una etapa acondicionadora (6) que adecuaría la energía eléctrica generada por el convertidor a las necesidades de las etapas convencionales (7), entendidas como aquéllas cuyo diseño y configuración serían similares a las de un dispositivo implantable que no utilizara generación fotovoltaica. El convertidor iría provisto en su cara frontal de un conector (8) para realizar un buen acoplamiento con la fibra. Desde este extremo, la fibra óptica (3) se extendería una cierta longitud por dentro del dispositivo para, a continuación, seguir ya como elemento único a través del cuerpo del paciente (2) hasta desembocar en alguna zona de la epidermis por la que entrara luz (1). Si se utiliza luz ambiente, este punto exte- 3

4 ES A1 6 rior debería estar permanentemente descubierto como es el caso de manos, cuello, orejas, etc. En caso de utilizar luz de fuentes conectadas, cualquier región del cuerpo resultaría adecuada. El tamaño y el material para fabricar el convertidor, el diámetro de la fibra óptica y el espectro de luz constituyen un compromiso regido por el consumo eléctrico del dispositivo. Por ello, éste debe conocerse con absoluta precisión. Las disposiciones anteriormente indicadas son 10 susceptibles de modificaciones de detalle, en tanto no alteren su principio fundamental, como la inclusión en el sistema propuesto de conectores y dispositivos electroópticos de tratamiento de luz para modificar la transmisión energética y de información. También se incluyen las aplicaciones en ámbitos ligeramente distintos al titulado como las veterinarias y biológicas, siempre que se guíen por el mismo principio de funcionamiento, que el descrito

5 7 ES A1 8 REIVINDICACIONES 1. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, caracterizado porque el aporte energético se realiza mediante la electricidad generada por un convertidor fotovoltaico que transformalaluzquelellega,através de fibra óptica, desde el exterior del cuerpo del sujeto. 2. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según la reivindicación 1, caracterizado porque consta de fuente de luz, fibra óptica y convertidor fotovoltaico. 3. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque incluya o no, una etapa acondicionadora de potencia eléctrica a la salida del convertidor fotovoltaico. 4. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según las reivindicaciones 1, 2, y 3, caracterizado porque la luz que se introduce en la fibra óptica puede provenir del ambiente o de cualquier fuente de luz (como por ejemplo láser, bombilla, diodo emisor de luz, etc.).. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según las reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque incorpore o no, elementos adicionales (como por ejemplo: conectores, dispositivos electroópticos de tratamiento de luz, etc.), para modificar la transmisión energética. 6. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y,caracterizado por la utilización del sistema como unidad central para alimentar a varios dispositivos médicos implantados en diversos lugares del cuerpo. 7. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y,caracterizado porque la misma fibra óptica u otra anexa se utilice para enviar información bidireccionalmente, es decir, datos recogidos por el dispositivo médico y enviados hacia el exterior y/o datos enviados desde el exterior hacia el dispositivo para modificar o regular su funcionamiento. 8. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables, según la reivindicación 7, caracterizado porque incorpore elementos adicionales (como por ejemplo: conectores, dispositivos electroópticos de tratamiento de luz, etc.), para modificar la transmisión de información. 9. Sistema de telealimentación fotovoltaica a implantables caracterizado porque el sistema no se dedique a aplicaciones exclusivamente médicas, sino también veterinarias, biológicas y similares

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8 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA k 11 ES k 21 N. solicitud: k 22 Fecha de presentación de la solicitud: k 32 Fecha de prioridad: INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA k 1 Int. Cl. 6 : A61F 2/48 DOCUMENTOS RELEVANTES Categoría Documentos citados Reivindicaciones afectadas X US A (HAUSER) , columna 3, 1-,7-9 líneas 16,19-20,3-44. A US A (HILLIARD) , columna 3, líneas A WO 9097 A (MEDTRONIC INC) , reivindicaciones 1,7-11; 1-,7-9 figuras. Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado para todas las reivindicaciones para las reivindicaciones n : Fecha de realización del informe Examinador Página A. Cardenas Villar 1/1