سنسورهای پزشکی ساختهشده با سرامیکهای فروالکتریک میتوانند تغییرات بسیار کوچک در بدن را تشخیص دهند، زیرا نیروهای مکانیکی مانند تغییرات فشار خون یا ارتعاش تارهای صوتی را به سیگنالهای الکتریکی واقعی تبدیل میکنند که قابل اندازهگیری هستند. آنچه در اینجا اتفاق میافتد این است که ماده سرامیکی در سطح میکروسکوپی تغییر شکل میدهد و بارهای سطحی ایجاد میکند که با هر نوع تنش اعمالشده بر روی آن متناسب است. هنگامی که به تصویربرداری اولتراسوند خاص میپردازیم، این سرامیکهای ویژه کیفیت تصویر را حدود ۴۰ درصد نسبت به سیستمهای الکترومغناطیسی قدیمی بهبود میبخشند. این بدین معناست که پزشکان میتوانند مشکلات بسیار کوچک در بافتها را که از یک میلیمتر هم کوچکتر هستند، شناسایی کنند. فناوری پشت این امر به دستگاهها اجازه میدهد تا نیروهایی به اندازه ۰٫۰۱ نیوتن را تشخیص دهند؛ چیزی که برای ردیابی تعاملات عضله و عصب یا مشاهده نحوه جریان خون در رگهای بسیار کوچک بدن کاملاً ضروری است.
سنسورهای پیزوالکتریک مورد استفاده در کاربردهای پزشکی میتوانند اندازهگیریهای خود را حتی در شرایطی که دما بین 20- درجه سانتیگراد و 50+ درجه سانتیگراد نوسان داشته باشد، در محدوده ±0.5% پایدار نگه دارند. این سنسورها بهوضوح عملکرد بهتری نسبت به گیجهای کرنش دارند و بر اساس آزمونهای بالینی اخیر، تقریباً سه برابر بهتر عمل میکنند. هیسترزیس آنها کمتر از 1.5% باقی میماند که به معنای دریافت خواندنهای قابل اعتماد توسط پزشکان در طول دورههای زمانی طولانی است. این موضوع برای کاربردهایی مانند نظارت بر بیماران مبتلا به صرع یا ارزیابی شدت لرزشهای پارکینسون بیماران اهمیت بالایی دارد. تحقیقات منتشر شده در سال گذشته چیز جالبی را نشان دادهاند: وقتی این سنسورها با مواد فاقد سرب ساخته شوند، تنها به میزان حدود 0.08 میکروولت در ساعت تغییر میکنند. این ویژگی تفاوت بزرگی در بخشهای مراقبتهای ویژه ایجاد میکند، جایی که خواندن دقیق فشار داخل جمجمهای به معنای نجات جان بیماران است.
واحد مراقبتهای ویژه نوزادان (NICU) بخاطر آرایههای حسگر پیزوالکتریک بهبود قابل توجهی دیده است که بر اساس تحقیقی روی ۳۲۴ بیمار در چندین مرکز، اپیزودهای آپنه را حدود ۱۲ ثانیه سریعتر از روشهای قدیمیتر تشخیص میدهند. در زمینه نظارت بر قلب، دستگاههای مجهز به سرامیکهای پیزوالکتریک با بافت نانومتری در طول شش ماه در کلینیک مایو، دقتی حدود ۹۹٫۲٪ نسبت به خواندنهای تهاجمی کاتتر نشان دادهاند. در آینده نیز توسعههای هیجانانگیزی در حال ظهور است. برخی از حسگرهای جدید در حال آزمایش برای ردیابی حرکت روده با شنیدن صداهای روده در فرکانسهای بین ۵۰ تا ۲۰۰۰ هرتز هستند. این فناوری میتواند بهطور قابل توجهی از انجام معاینات ناراحتکننده اندوسکوپی بکاهد، چرا که آزمایشهای اولیه نشان میدهند ممکن است استفاده از اندوسکوپی را تقریباً ۴۰٪ کاهش دهند.
دستگاههای سونوگرافی بدون استفاده از سرامیکهای فروالکتریک در هستهٔ خود، بههیچوجه به همین خوبی کار نمیکردند. این مواد خاص برق را دریافت کرده و آن را به ارتعاشات با فرکانس بالا بین ۲ تا ۱۸ مگاهرتز تبدیل میکنند که در واقع قادر به نفوذ به بافتهای بدن هستند. چیزی که این مواد را بسیار ارزشمند میکند، پایداری آنها در طول زمان است. بیشتر سرامیکهای باکیفیت حتی پس از ساعتها اسکن نیز تراز فاز خود را در حدود نیم درجه حفظ میکنند؛ موضوعی که پزشکان به شدت به آن وابستهاند، چه برای ردیابی ضربانهای کوچک قلب جنین و چه برای تشخیص مشکلات کوچک در اسکن شکمی. نکتهٔ دیگر مهم دربارهٔ این سرامیکها این است که هم میتوانند سیگنال ارسال کنند و هم پاسخ بازگشتی را دریافت کنند. این ارتباط دوطرفه به دستگاهها اجازه میدهد تا تصاویر دقیقی را که امروزه روی صفحهنمایش میبینیم، ایجاد کنند. تقریباً تمامی سیستمهای تشخیصی سونوگرافی امروزی به این فناوری وابستهاند و آمارها نشان میدهند که حدود ۸۹ درصد از کلینیکها از تجهیزات مبتنی بر این اصول استفاده میکنند.
حدود پنجاه سال، سیلیکات تیتانیم زیرکونیوم سرب (PZT) بهطور گسترده ماده اصلی برای کاربردهای تصویربرداری پزشکی بود. اما چیزها تغییر کردند وقتی سرامیکهای نانومهندسی با ضرایب d³³ در حدود 650 پیکومتر بر ولت وارد صحنه شدند، که در عمل حدود 40 درصد بهتر از عملکرد PZT با 450 پیکومتر بر ولت است. این در عمل چه معنایی دارد؟ این امر به ترانسدیوسرهای مدرن اجازه میدهد تا پلاکهای شریانی را با ضخامت تنها 0.2 میلیمتر تشخیص دهند، کاری که با تجهیزات قدیمیتر غیرممکن بود. وضوح تصویر نسبت به گذشته سه برابر شده است. امروزه اکثر تولیدکنندگان در حال گذار از مواد سنتی به جایگزینهای سازگار با محیط زیست مانند ترکیبات تیتانات باریم هستند. چرا؟ زیرا این مواد، محتوای سرب را تقریباً 97 درصد کاهش میدهند و بنابراین برای کارگران و بیماران بیخطرتر هستند. علاوه بر این، این مواد جدید پهنای باندی 15 درصدی گستردهتر فراهم میکنند که به پزشکان اجازه میدهد تا در عمقهای مختلف در حین اسکن، تصاویر واضحتری بدون نیاز به تعویض مداوم تجهیزات به دست آورند.
سه نوآوری کلیدی عملکرد سونوگرافی را بهبود میبخشند:
| توسعه | تأثیر بالینی | مزیت فنی |
|---|---|---|
| چندلایهای | تمایز گرههای تیروئید ۰٫۳ میلیمتری | بهبود ۸ دسیبلی نسبت سیگنال به نویز |
| طراحیهای آرایه منحنی | میدان دید ۱۵۲ درجهای برای تصویربرداری قلبی | کاهش ۲۵ درصدی سایهآکوستیک |
| ترکیب بسامد | شناسایی کلسیفیکاسیونهای ریز در پستان | همگامسازی دوگانه 5/10 مگاهرتز |
بر اساس مطالعه انجامشده در سال 2023 توسط JAMA Imaging، این پیشرفتها همراه با تشخیص الگوی مبتنی بر هوش مصنوعی، دقت 94٪ را در تشخیص تومورهای مرحله اول فراهم میکنند.
ابزارهای سرامیکی پیزوالکتریک بخاطر ارتعاشات بسیار ریز در محدودهٔ ۲۸ تا ۳۲ کیلوهرتز، استخوانها را با دقت شگفتآوری برش میدهند که این امر به حفظ ساختار بافتهای نرم اطراف در حین جراحی کمک میکند. اعداد واقعی نیز بسیار قابل توجه هستند؛ این ابزارها قادرند در هنگام برش تا حدود ۰٫۱ میلیمتر دقت داشته باشند و خونریزی در طول عملهای جراحی را تقریباً ۶۰٪ کاهش دهند. آنچه این ابزارها را واقعاً خاص میکند، توانایی تنظیم فرکانس آنها برای هدف قرار دادن فقط مواد سخت استخوانی است، بهطوریکه اعصاب دستنخورده باقی میمانند. این موضوع بسیار مهم است، بهویژه در مناطق پیچیده مانند ستون فقرات یا دهان، که برخورد ناخواسته با ساختارهایی که نباید تحت تأثیر قرار بگیرند، میتواند منجر به مشکلات جدی بعدی شود، از جمله فلج شدن احتمالی یا دردهای مزمنی که پزشکان قطعاً میخواهند از آنها اجتناب کنند.
امروزه دستگاههای اسکیلر ماوراء صوت برای عملکرد خود به سرامیکهای فروالکتریک متکی هستند و بین ۲۰٬۰۰۰ تا تقریباً ۴۵٬۰۰۰ نوسان در دقیقه تولید میکنند. این دستگاهها موفق میشوند حدود ۹۵ درصد از بیوفیلم را زیر خط لثه پاک کنند، که باعث میشود درمان برای بیماران بسیار راحتتر شود. مطالعات نشان دادهاند که استفاده از این ابزارها به جای روشهای سنتی، منجر به کاهش حدود ۷۰ درصدی زبری سطوح مینای دندان پس از اسکیلینگ میشود. این پایانه صافتر باعث میشود باکتریها به احتمال کمتری دوباره به دندان بچسبند. آخرین نسخههای این اسکیلرها مجهز به فناوری حسگر امپدانس در زمان واقعی (real time impedance sensing technology) هستند. این قابلیت به دندانپزشکان کمک میکند تا در طول روند درمان، تراکم رسوبات سانگوئن را بهتر احساس کنند. در نتیجه، آنها قادر به انجام کارهای پلانینگ ریشه به شکلی مؤثرتر هستند که منجر به نتایج بهتری برای افرادی میشود که با مشکلات پریودنتیت دست و پنجه نرم میکنند.
اگرچه این دستگاهها مزایای بالینی واقعی ارائه میدهند، اما اکثر بیمارستانها هنوز تمایلی به استفاده از آنها نشان نمیدهند. حدود ۴۲ درصد از مراکز گزارش میدهند که قیمت آنها با محدوده بین ۱۸ هزار تا ۵۵ هزار دلار برای هر واحد بسیار بالاست و علاوه بر این، نگران عملکرد مناسب مواد در داخل بدن هستند. قطعات ریز نیاز به فرآیندهای تمیزکاری خاصی دارند تا از تخریب تدریجی آنها جلوگیری شود. و نباید از صحبتهای خود پزشکان غافل شد - بر اساس یک نظرسنجی اخیر در سال ۲۰۲۴، تقریباً دو سوم جراحان احساس میکنند قبل از کار با این تنظیمات خاص فرکانسی، به آموزش اضافی نیاز دارند. دریافت مجوزهای نظارتی مانع دیگری است. برای تجهیزات جراحی پیزوالکتریک، حدود ۱۸ تا ۲۴ ماه طول میکشد تا از موانع سازمان غذا و دارو (FDA) عبور کنند که تقریباً دو برابر زمان لازم برای تجهیزات جراحی معمولی است. این میزان انتظار واقعاً فرآیند ورود فناوریهای جدید به اتاقهای عمل را کند میکند.
مواد جدید پیزوالکتریک انعطافپذیر مانند PVDF در حال تغییر شیوه نظارت ما بر سلامت از طریق دستگاههای قابل پوشیدن هستند. این سنسورها قادر به تشخیص ضربان شریانها و الگوهای تنفسی هستند بدون آنکه مانع حرکت طبیعی شوند. وقتی در وسایلی مانند بند مچی یا برچسبهای قفسه سینه گنجانده میشوند، به پزشکان امکان میدهند تا فعالیت قلب را در تمام طول روز دنبال کنند. بر اساس تحقیقات اخیر بازار در سال ۲۰۲۵، این سنسورهای خاص پلیمری ممکن است تقریباً ۴۰٪ از کاربردهای سنسورهای بهداشتی را به خود اختصاص دهند، زیرا عمر طولانیتری دارند و نسبت به بسیاری از گزینههای دیگر سیگنالهای شفافتری ارائه میدهند. یک دستمال چسبنده خاص نیز نتایج قابل توجهی نشان داده است و دقتی حدود ۹۶٪ در تشخیص ریتمهای غیرطبیعی قلبی معروف به فیبریلاسیون دهلیزی داشته است. این سطح عملکرد نشان میدهد که ما شاهد چیزی واقعاً مفید برای تشخیص زودهنگام بیماری در زندگی روزمره هستیم.
ایمپلنتهای حلزونی به طور فزایندهای از سرامیکهای پیزوالکتریک برای بهبود پردازش سیگنال شنوایی استفاده میکنند. این مواد ارتعاشات صوتی را به نوسانات الکتریکی واضحتری تبدیل میکنند، به ویژه در محدودههای فرکانس بالا که برای درک گفتار حیاتی هستند. نمونههای اولیه اخیر دامنه دینامیکی ۱۷٪ وسیعتری را نسبت به سیستمهای الکترومغناطیسی ارائه میدهند و به طور قابل توجهی ادراک صوت را در محیطهای شلوغ بهبود میبخشند.
فناوری پوست الکترونیکی جدید با استفاده از حسگرهای پیزوالکتریک که نحوه احساس لمس توسط انسان را تقلید میکنند، شروع به ایجاد موجهایی در این حوزه کرده است. برخی از این پوستهای پیشرفته میتوانند فشارهایی معادل حدود ۰٫۱ کیلوپاسکال را تشخیص دهند که اساساً برابر با میزانی است که شخصی انگشت خود را به آرامی روی چیزی میکشد. جادوی واقعی زمانی رخ میدهد که این سیستمها بازخورد فوری ارائه میدهند و این امر باعث میشود تا در کاربردهایی نظیر پروتزهایی که افراد نیاز دارند بدانند چه چیزی را لمس میکنند، یا در بازوی رباتیک پیشرفته مورد استفاده در جراحیهای ظریف، بسیار مفید باشند. محققانی که در سال ۲۰۲۱ به بررسی مواد مختلف پرداختند، دریافتند که نانوسیمهای اکسید روی عمر طولانیتری نسبت به بیشتر گزینههای موجود دارند. این نانوسیمها حتی پس از بیش از نیم میلیون بار خمش به درستی کار میکردند. این سطح از استحکام، امکانات جدیدی را در کاربردهای پزشکی از جمله پایش ترمیم زخمها تا توسعه رباتهایی که در عملیات پیچیده واکنش بهتری نشان میدهند، فراهم میکند.
سنسورهای زیستی پیزوالکتریک از خاصیت تولید بار الکتریکی در برخی سرامیکها استفاده میکنند تا بیومارکرها را با حساسیتی حدود ده برابر بیشتر از سنسورهای الکتروشیمیایی معمولی امروزی شناسایی کنند. این دستگاهها با تشخیص تغییرات در فرکانس تشدید هنگام اتصال مولکولها به یکدیگر کار میکنند و این امکان را فراهم میکنند که پزشکان بتوانند شرایطی مانند ابتلا به سپسیس یا گسترش سرطان را بسیار زودتر از قبل تشخیص دهند. در یک مطالعه بسیار مهم اخیر، محققان نشان دادند که این سنسورها قادر به تشخیص تروپونین قلبی I در سطوحی به اندازه ۰٫۰۱ نانوگرم در میلیلیتر هستند. این سطح از حساسیت تفاوت بزرگی در شناسایی سکتههای قلبی خفیفی ایجاد میکند که اغلب تا زمانی که دیر شده باشد، تشخیص داده نمیشوند.
اکچوئیتورهای پیزوالکتریک امکان تحویل دقیق دارو را از طریق موارد زیر فراهم میکنند:
آزمایشهای بالینی نشان میدهند که پمپهای ریز پیزوالکتریک با دوزدهی دقیق از طریق سد خونی-مغزی، عوارض داروهای پارکینسون را تا ۶۲٪ کاهش میدهند.
آخرین انواع سرامیکهای نانو ترموالکتریک در حال عبور از محدودیتهای قدیمی هستند که طبق آن دستگاههای کوچکتر به معنای خروجی توان کمتر بود. به عنوان مثال، نانوسیمهای PMN PT این ساختارهای بسیار ریز میتوانند حتی با ضخامت تنها ۵۰۰ نانومتر به بازده ولتاژ حدود ۸۵ درصد برسند. و نکتهای که آنها را واقعاً خاص میکند این است که تقریباً از پایه سیگنال خود منحرف نمیشوند و پس از انجام ۱۰ هزار چرخه، انحراف آنها همچنان زیر ۰٫۱ درصد باقی میماند. این موضوع در عمل چه معنا دارد؟ اکنون شاهد سنسورهای قابل کاشت هستیم که در داخل یک سکه معمولی جا میشوند و با یک بار شارژ، تا پنج سال عمر میکنند. این نوع پیشرفتها تفاوت بزرگی برای بیمارانی ایجاد میکند که نیاز به پایش مداوم شرایطی مانند دیابت یا بیماریهای قلبی دارند و دیگر نیازی به تعویض مکرر باتری ندارند.
EN
