La revolución de las conexiones eléctricas en los instrumentos médicos

La capacidad de observar conexiones eléctricas el interior del cuerpo del paciente y determinar la causa de la enfermedad sin provocar la muerte ni heridas graves es un sueño de la medicina desde hace mucho tiempo. Cualquier tipo de cirugía es un proceso invasivo que somete al cuerpo a un considerable estrés. En concreto, se ponen en riesgo los sistemas cardiovascular, respiratorio, excretor e inmunológico, y se ve comprometida la capacidad del cuerpo de mantener la homeostasis. Por tanto, si la cirugía es imprescindible, el empleo de técnicas de cirugía mínimamente invasiva (minimally invasive surgery, MIS) con el fin de limitar el tamaño y el número de incisiones realizadas es extremadamente beneficioso para el paciente.

La MIS ofrece muchas ventajas respecto a la cirugía abierta tradicional. Las heridas provocadas por los procedimientos de MIS son más pequeñas y ello ayuda a acortar los tiempos de recuperación y a dejar cicatrices menos visibles. Los pacientes se recuperan con más rapidez, por lo que pueden salir antes del hospital y dejar camas libres para otros pacientes. Muchos pacientes sufren menos colores tras la MIS y por tanto necesitan menos medicación posoperatoria.

La firma de análisis Market & Markets prevé que en 2025 el volumen de negocio global generado por los equipos relacionados con MIS ascenderá a unos 32.700 millones de dólares al año. Los campos de especialización en los que está demostrando ser especialmente valiosa son la cirugía torácica, ortopédica, urológica, vascular, ginecológica y neurológica, así como la cardiología intervencionista.

Figura 1: La cirugía mínimamente invasiva ha mejorado los tiempos de recuperación de los pacientes. Fuente: Bork/Shutterstock.com

Las primeras investigaciones que llevaron hacia la MIS moderna tuvieron lugar a principios de la década de 1980 con la introducción de varios tipos de instrumentos electroquirúrgicos (catéteres, endoscopios, laparoscopios, artroscopios, etc.) que fueron fundamentales para su continuo avance tecnológico. En la actualidad se estima que más del 90% de todas las cirugías se pueden efectuar con MIS. Entre ellas se encuentran la apendicectomía, la ligadura de trompas, la colecistectomía, el bypass gástrico y la banda gástrica, la reparación de válvulas cardíacas, la miomectomía, la histerectomía, la artroscopia, la prostatectomía, la fusión espinal y los procedimientos bariátricos. En el futuro, los cirujanos estarán en condiciones de recurrir a la MIS con más frecuencia a medida que la tecnología que la respalda sea más sofisticada.

Las continuas innovaciones que experimentan los instrumentos electroquirúrgicos permitirán incorporar elevados niveles de funcionalidad y, en consecuencia, estos instrumentos serán más efectivos. También se abrirán oportunidades para aplicar la MIS al tratamiento de un abanico más amplio de trastornos de salud y problemas médicos. No obstante, para conservar sus propiedades “no invasivas”, los dispositivos quirúrgicos utilizados en los procedimientos deben tener un tamaño muy reducido. Esto tiene implicaciones de gran alcance para la electrónica que integran, no solo por lo que se refiere a sus componentes (microsensores, actuadores, circuitos integrados para gestión de la alimentación etc.) sino también para el cableado que suministra las señales de datos y la alimentación.

El cableado requerido en estos diseños no ha sido objeto de mucha atención hasta ahora por lo que respecta al espacio que ocupa, pero la exigencia de formatos más pequeños, junto con la incorporación de elementos funcionales, impone limitaciones de espacio sobre los diseños de los instrumentos. Como consecuencia de ello es preciso cambiar la manera de cablear los dispositivos médicos.

Hasta ahora los diseños de instrumentos electroquirúrgicos convencionales han utilizado interconexiones eléctricas basadas en la tecnología de microcableado, cuyos cables generalmente se deben combinar entre sí en mazos de unos 600µm de diámetro. Además de su grosor, los microcables presentan otros inconvenientes que los ingenieros médicos deberían conocer, como su rigidez, ya que esto hace que sean menos prácticos para carcasas de formas poco comunes.

Mientras siga aumentando la densidad del contenido electrónico incorporado a los modernos instrumentos electroquirúrgicos tendrán que evolucionar también las interfaces que interconectan todo. Los circuitos impresos flexibles (flexible printed circuits, FPC) representan una opción viable para sustituir a los microcables. Los FPC permiten un ahorro sustancial de espacio y peso, además de ofrecer altos niveles de integridad de señal y una larga fiabilidad operativa. Gracias a todo ello, el uso de los FPC se ha ido generalizando en numerosos dispositivos médicos vestibles (wearables) e implantables que se emplean en la monitorización, regulación y asistencia de procesos fisiológicos vitales como marcapasos, audífonos y medidores de glucosa en sangre. Otras ventajas son la posibilidad de doblarlos y darles forma con el fin de adaptarlos a las dimensiones de la carcasa que los contiene. La estructura de material compuesto de los FPC les proporciona una considerable robustez mecánica para que su funcionamiento sea efectivo aun siendo bastante más delgados.

Con un FPC es posible implementar pistas conductoras con una anchura de solo 25μm. Gracias a su grosor total de interconexión (incluidos el aislamiento eléctrico y las capas de protección) inferior a 50μm, esta solución es algo más fina que un cabello humano. Gracias a ello, un solo FPC puede sustituir hasta 12 microcables, lo cual no solo ahorra espacio sino que también disminuye la complejidad al cablear el instrumento. También vale la pena destacar que se consigue un ahorro de coste adicional al sustituir las diversas conexiones de los microcables por un solo FPC ya que de esta manera se reducen la lista de materiales y el coste que conlleva el cableado del producto.

Si bien los FPC suponen una alternativa atractiva frente a los microcables, sigue habiendo un importante obstáculo a superar para que se fabriquen y se introduzcan a gran escala en dispositivos destinados a procedimientos de MIS. Las técnicas de fabricación han limitado la longitud del FPC. Así, la mayoría de los fabricantes de FPC pueden lograr longitudes de unos 0,6 m y solo unas pocas compañías ofrecen soluciones de hasta 2 m. Sin duda, esto ha tenido un efecto perjudicial sobre su capacidad para cumplir los criterios de diseño de los fabricantes OEM de dispositivos médicos.

Dicho de forma sencilla, existe una multitud de ejemplos de aplicación de la MIS en los que se necesitan soluciones con un cableado más largo. Por ejemplo, los catéteres empleados en procedimientos cardíacos requieren una longitud mínima de 1,1m para que el personal médico los pueda usar correctamente. De igual manera, en procedimientos como la neurorradiología intervencionista la longitud del cableado es de 2m.

Gracias a su tecnología propia IHT (Improved Harness Technology™), Trackwise es la única que fabrica FPC multicapa de cualquier longitud. Esta revolucionaria técnica de fabricación proporciona a los OEM que trabajan en el sector médico una alternativa de menos peso, más pequeña y con una longitud ilimitada frente a las soluciones actuales.

Figura 2: Ejemplo de interconexión IHT ultrafina.

Fuente: Trackwise

A diferencia de los métodos convencionales aplicados a la producción de FPC, IHT emplea un proceso dinámico totalmente patentado que se basa en técnicas avanzadas de electrolaminación rollo a rollo. Gracias a estas técnicas es posible obtener FPC de cualquier longitud, garantizando asimismo su continua fiabilidad y repetibilidad y de disminuir los costes por unidad asociados. La forma plana de las interconexiones de IHT permite su unión dentro de la estructura a la que se montan, reduciendo así el espacio físico que ocupan.

Con IHT, Trackwise está en condiciones de producir FPC con unas longitudes muy superiores a las que ofrecen otros proveedores y ello permite que los fabricantes OEM médicos puedan disponer de un suministro económico y a gran escala de FPC adecuados para los requisitos concretos de su aplicación. Con toda seguridad esto será valioso para el diseño y la comercialización de la próxima generación de instrumentos destinados a MIS.