પીઝોઇલેક્ટ્રિક સેરામિક્સથી બનાવેલા મેડિકલ સેન્સર્સ શરીરમાં ખૂબ જ નાના ફેરફારોને પકડી શકે છે કારણ કે તેઓ રક્તદાબના ફેરફારો અથવા વૉકલ કૉર્ડ્સના કંપન જેવી યાંત્રિક બળોને માપી શકાય તેવા વાસ્તવિક વિદ્યુત સંકેતોમાં ફેરવે છે. અહીં જે બને છે તે એ છે કે સેરામિક સામગ્રી સૂક્ષ્મ સ્તરે વિકૃત થાય છે, જેનાથી તેની સપાટી પર વીજભાર ઉત્પન્ન થાય છે જે તેના પર લાગુ પડતા દબાણને અનુરૂપ હોય છે. આલ્ટ્રાસાઉન્ડ ઇમેજિંગની ચોક્કસ દૃષ્ટિએ જોતાં, આ ખાસ સેરામિક્સ જૂની પેઢીની ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિસ્ટમોની સરખામણીએ લગભગ 40 ટકા વધુ સારી ઇમેજ ગુણવત્તા પૂરી પાડે છે. તેનો અર્થ એ છે કે ડૉક્ટરો 1 મિલિમીટરથી પણ નાની ઊતરીઓમાં નાની સમસ્યાઓને ઓળખી શકે છે. આ ટેકનોલોજી ઉપકરણોને 0.01 ન્યૂટન જેટલા ઓછા બળને પણ સંવેદન કરવા માટે સક્ષમ બનાવે છે, જે માંસપેશીઓ અને તંત્રિકાઓની આંતરક્રિયાઓને ટ્રॅક કરવા અથવા શરીરની નાની નસોમાંથી લોહીના પ્રવાહને જોવા માટે અત્યંત જરૂરી છે.
ચિકિત્સા એપ્લિકેશનમાં વપરાતા પાયઝોઇલેક્ટ્રિક સેન્સર -20°C થી 50°C સુધીના તાપમાનમાં ફેરફાર છતાં પણ ±0.5% ની અંદર તેમના માપનને સ્થિર રાખી શકે છે. આવા સેન્સર સ્ટ્રેઇન ગેજને હાથ ધરીને હરાવી દે છે, જે તાજેતરની ક્લિનિકલ ટેસ્ટ મુજબ લગભગ ત્રણ ગણું વધુ સારું પ્રદર્શન દર્શાવે છે. તેમનું હિસ્ટરિસિસ 1.5% કરતા ઓછુ રહે છે, જેનો અર્થ એ થાય છે કે ડૉક્ટરોને લાંબા સમય સુધી વિશ્વસનીય રીડિંગ મળે છે. આ એપિલેપ્સીના દર્દીઓનું અવલોકન કરવા અથવા કોઈના પાર્કિન્સનના ધ્રુજારાની તીવ્રતા કેટલી વધી રહી છે તે માપવા જેવી બાબતો માટે ખૂબ મહત્વપૂર્ણ છે. ગયા વર્ષે પ્રકાશિત થયેલા સંશોધનમાં એક અદ્ભુત બાબત પણ બહાર આવી: જ્યારે આ સેન્સર લીડ-ફ્રી સામગ્રીમાંથી બનાવવામાં આવે છે, ત્યારે તે માત્ર 0.08 માઇક્રોવોલ્ટ દર કલાકનો ડ્રિફ્ટ દર્શાવે છે. આ ખાસ કરીને તીવ્ર સંભાળ એકમો (intensive care units) માટે મહત્વપૂર્ણ છે, જ્યાં ચોકસાઈપૂર્વકની ઇન્ટ્રાક્રેનિયલ પ્રેશરની રીડિંગ સીધી જીવ બચાવે છે.
324 દર્દીઓ પર થયેલા અનેક કેન્દ્રોના સંશોધન મુજબ, જૂની તકનીકોની સરખામણીએ લગભગ 12 સેકંડ ઝડપી રીતે એપનીયાના પ્રસંગોને ઝડપી લેતા પીઝોઇલેક્ટ્રિક સેન્સર એરેને કારણે નિક્યુમાં અદ્ભુત સુધારા જોવા મળ્યા છે. હૃદયની મોનિટરિંગની વાત આવે ત્યારે, નેનો-ટેક્સચર્ડ પીઝોસેરામિક્સથી લેસ ઉપકરણોએ મેયો ક્લિનિકમાં છ મહિના સુધી લગભગ 99.2% ચોકસાઈ સાથે ઈન્વેસિવ કેથેટરના રીડિંગ સાથે મેળ મિલાવ્યો છે. આગામી સમયમાં, આગળ રસપ્રદ વિકાસ પણ આવી રહ્યો છે. 50 થી 2000 Hz આવૃત્તિઓ વચ્ચેના આંતરડાના અવાજો સાંભળીને આંતરડાની ગતિશીલતાને ટ્રॅક કરવા માટે કેટલાક નવા સેન્સરનું પરીક્ષણ કરવામાં આવી રહ્યું છે. પ્રારંભિક પરીક્ષણો સૂચવે છે કે તેઓ અસુવિધાજનક એન્ડોસ્કોપીને લગભગ 40% ઘટાડી શકે છે, જેથી તેની જરૂરિયાત નોંધપાત્ર રીતે ઘટી શકે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ મશીન પાઇઝોઇલેક્ટ્રિક સેરામિક્સ વગર લગભગ એટલી સારી રીતે કામ ન કરી શકે. આ ખાસ સામગ્રી વીજળી લે છે અને તેને 2 થી 18 MHz ની ઊંચી આવૃત્તિવાળા કંપનોમાં ફેરવે છે જે ખરેખર શરીરના પેશીઓમાંથી પસાર થાય છે. તેમની કિંમત એ છે કે તેઓ સમય સાથે કેટલા સ્થિર રહે છે. મોટાભાગના ગુણવત્તાયુક્ત સેરામિક્સ સ્કેનિંગના કલાકો પછી પણ લગભગ અડધા ડિગ્રી અંદર તેમની તબક્કાની ગોઠવણી જાળવી રાખે છે, જે ભ્રૂણમાં નાના હૃદયના ધબકારાને ટ્રॅક કરતી વખતે અથવા ઉદરના સ્કેનમાં નાની સમસ્યાઓને શોધવામાં ડૉક્ટરો ખરેખરા આધારિત છે. આ સેરામિક્સ વિશે બીજી મહાન વસ્તુ? તેઓ સંકેતો મોકલી શકે છે અને પાછા મળેલું પણ ઝીલી શકે છે. આ બે-રસ્તા સંચારને કારણે મશીનો આજની સ્ક્રીન પર જોવા મળતી વિગતવાર તસવીરો બનાવી શકે છે. લગભગ દરેક આધુનિક નિદાનાત્મક અલ્ટ્રાસાઉન્ડ સિસ્ટમ હવે આ ટેકનોલોજી પર આધારિત છે, જેમાં આંકડાઓ દર્શાવે છે કે લગભગ 89 ટકા ક્લિનિક્સ આ સિદ્ધાંતો પર આધારિત સાધનોનો ઉપયોગ કરે છે.
પચાસ વર્ષ કરતાં વધુ સમયથી, લેડ ઝિરકોનેટ ટાઇટેનેટ (PZT) મેડિકલ ઇમેજિંગ એપ્લિકેશન્સ માટે મુખ્ય સામગ્રી હતી. પરંતુ જ્યારે નેનો-ઇજનેરી સેરામિક્સ 650 pm/V ના d³³ ગુણાંક સાથે દેખાવ આપ્યો, જે PZT ના 450 pm/V કરતાં લગભગ 40% વધુ છે, ત્યારે બાબતો બદલાઈ ગઈ. આનો વ્યવહારિક અર્થ શું છે? સારું, આ આધુનિક ટ્રાન્સડ્યુસર્સ ને 0.2mm જેટલી પાતળી ધમની પ્લેક્સ શોધવાની મંજૂરી આપે છે, જે જૂના સાધનો સાથે અશક્ય હતું. આપણી પાસે પહેલાં હતી તેની સરખામણીએ રિઝોલ્યુશન ત્રણ ગણો વધી ગયો છે. આજકાલ મોટાભાગના ઉત્પાદકો પારંપરિક સામગ્રીથી દૂર જઈ રહ્યા છે અને બેરિયમ ટાઇટેનેટ કોમ્પોઝિટ જેવી પર્યાવરણ-અનુકૂળ વિકલ્પો તરફ વળી રહ્યા છે. શા માટે? કારણ કે તેઓ લેડની માત્રા લગભગ 97% ઘટાડે છે, જેથી કામદારો અને દર્દીઓ માટે વધુ સુરક્ષિત બને છે. વળી, આ નવી સામગ્રી આપણને 15% વધુ પહોળાઈ આપે છે, જેનો અર્થ એ છે કે ડૉક્ટર્સ સ્કેન દરમિયાન સાધનો લગાતાર બદલ્યા વિના વિવિધ ઊંડાઈએ સ્પષ્ટ ઇમેજ મેળવી શકે છે.
અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રદર્શનમાં સુધારો કરવા માટે ત્રણ મુખ્ય નવીનતાઓ:
| વિકાસ | ક્લિનિકલ અસર | ટેકનિકલ ફાયદો |
|---|---|---|
| બહુ-સ્તરીય સ્ટેકિંગ | 0.3 મીમી થાઇરોઇડ નોડ્યુલ્સને અલગ કરે છે | સિગ્નલ-ટુ-નોઇઝ ગુણોત્તરમાં 8 ડીબીનો સુધારો |
| વક્ર એરે ડિઝાઇન | કાર્ડિયાક ઇમેજિંગ માટે 152° ફિલ્ડ-ઑફ-વ્યુ | ધ્વનિય છાયાંકનમાં 25% ઘટાડો |
| આવર્તન સંયોજન | સ્તનમાં માઇક્રો-કેલ્શિફિકેશન્સનું નિદાન કરે છે | ડ્યુઅલ 5/10 MHz સિન્ક્રોનાઇઝેશન |
2023 ના JAMA ઇમેજિંગ અભ્યાસ મુજબ, AI-પાવર્ડ પેટર્ન રીકગ્નિશન સાથે જોડાયેલ હોય ત્યારે, આવી પ્રગતિ પ્રારંભિક તબક્કાના ટ્યુમરની શોધમાં 94% ચોકસાઈ પૂરી પાડે છે.
પાઇઝોઇલેક્ટ્રિક સેરામિક સાધનો 28 થી 32 કિલોહર્ટ્ઝની આસપાસના નાના કંપનોને કારણે અદ્ભુત ચોકસાઈ સાથે હાડકાં કાપે છે, જે શસ્ત્રક્રિયા દરમિયાન નજીકના નરમ પેશીઓને બરકરાર રાખવામાં મદદ કરે છે. વાસ્તવિક આંકડા પણ ખૂબ જ પ્રભાવશાળી છે - આ ઉપકરણો કાપતી વખતે માત્ર 0.1 મિલિમીટરની અંદર ચોકસાઈ મેળવી શકે છે, અને ઓપરેશન દરમિયાન લોહી ગળવાને લગભગ 60% સુધી ઘટાડે છે. તેમને ખરેખરા ખાસ બનાવતું એ છે કે તેઓ ફક્ત સખત હાડકાની સામગ્રી પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવા માટે તેમની આવૃત્તિને કેવી રીતે ગોઠવે છે, જેથી તંત્રિકાઓ અછતી રહે. આનું મહત્વ ખાસ કરીને મુશ્કેલ વિસ્તારો જેવા કે રીઢની હાડકી અથવા મોંમાં ખૂબ જ વધારે છે, જ્યાં જો કંઈક ખોટું લાગે તો પછીના સમયમાં ગંભીર સમસ્યાઓ થઈ શકે છે, જેમાં શક્ય પેરાલિસિસ અથવા ચાલુ દુઃખાવાની સમસ્યાઓનો સમાવેશ થાય છે, જે ડૉક્ટરો ચોક્કસપણે ટાળવા માંગે છે.
આજના અલ્ટ્રાસોનિક સ્કેલર્સ તેમના કાર્ય માટે પાયોઝોઇલેક્ટ્રિક સેરામિક્સ પર આધારિત છે, જે દર મિનિટે 20,000 થી લગભગ 45,000 સુધીના કંપનો ઉત્પન્ન કરે છે. આવા ઉપકરણો દ્વારા દાંતની ગુંદરની લાઇનની નીચે લગભગ 95 ટકા બાયોફિલ્મ દૂર કરવામાં આવે છે, જેથી દર્દીઓ માટે સારવાર ઘણી વધુ આરામદાયક બને છે. અભ્યાસોમાં જણાવાયું છે કે પરંપરાગત પદ્ધતિઓને બદલે આ સાધનોનો ઉપયોગ કરવાથી સ્કેલિંગ પછી એનામેલની સપાટી પર ખડતલાપણું લગભગ 70% જેટલું ઘટી જાય છે. આ વધુ સરળ સમાપ્તિનો અર્થ એ છે કે પાછળથી બેક્ટેરિયા ચોંટવાની શક્યતા ઓછી હોય છે. આ સ્કેલર્સના નવીનતમ સંસ્કરણોમાં રિયલ-ટાઇમ ઇમ્પિડન્સ સેન્સિંગ ટેકનોલોજી જેવી સુવિધા આપવામાં આવી છે. આ લાક્ષણિકતા ડેન્ટિસ્ટ્સને પ્રક્રિયા દરમિયાન કેલ્ક્યુલસ જમાવની ઘનતા કેટલી છે તેનો અંદાજ લગાવવામાં મદદ કરે છે. પરિણામે, તેઓ રૂટ પ્લેનિંગનું કાર્ય વધુ અસરકારક રીતે કરી શકે છે, જેનાથી પીરિયોડોન્ટાઇટિસની સમસ્યાઓથી પીડિત લોકો માટે સારા પરિણામો મળે છે.
આ ઉપકરણો વાસ્તવિક ક્લિનિકલ ફાયદા પૂરા પાડે છે, પરંતુ મોટાભાગની હોસ્પિટલો હજી સુધી તેમાં જોડાઈ નથી. લગભગ 42 ટકા હોસ્પિટલો એવું જણાવે છે કે દરેક યુનિટની કિંમત $18k થી $55k ની વચ્ચે ખૂબ જ વધારે છે, અને તેઓ શરીરની અંદર સામગ્રીની કાર્યક્ષમતા વિશે ચિંતિત પણ છે. નાના ભાગોને સમય સાથે નષ્ટ થતા અટકાવવા માટે ખાસ સફાઈ પ્રક્રિયાની જરૂર હોય છે. અને આપણે ડૉક્ટરો પોતે શું કહે છે તે ભૂલી જઈએ નહીં - 2024 ની એક તાજેતરની સર્વેક્ષણ મુજબ, લગભગ બે તૃતિયાંશ સર્જનોને લાગે છે કે આવી આવૃત્તિ-ચોક્કસ સેટિંગ્સ સાથે કામ કરતા પહેલા તેમને વધારાની તાલીમની જરૂર છે. નિયામક મંજૂરી મેળવવી એ બીજી મુશ્કેલી છે. પાયઝોઇલેક્ટ્રિક સર્જિકલ સાધનો માટે, FDA ની મંજૂરી મેળવવામાં લગભગ 18 થી 24 મહિનાનો સમય લાગે છે, જે સામાન્ય સર્જિકલ સાધનોની તુલનામાં લગભગ બમણો સમય છે. ઑપરેટિંગ રૂમમાં નવી ટેકનોલોજી લાવવાનો પ્રયત્ન કરતી વખતે આવો પ્રકારનો સમયગાળો ખરેખર પ્રક્રિયાને ધીમી પાડે છે.
PVDF જેવા નવા લવચીક પાયોજીલેક્ટ્રિક સામગ્રી વેરેબલ્સ દ્વારા આપણી આરોગ્ય મોનિટરિંગની રીતને બદલી રહ્યા છે. આ સેન્સર્સ સામાન્ય હાલચાલમાં ખલેલ કર્યા વિના ધમનીના ધબકારા અને શ્વાસના પેટર્નને ઝીલી શકે છે. જ્યારે તેમને કલાઈઓ અથવા છાતીના સ્ટીકર્સમાં બનાવવામાં આવે છે, ત્યારે ડૉક્ટરો દિવસભર હૃદયની પ્રવૃત્તિનું અનુસરણ કરી શકે છે. 2025 ના તાજેતરના બજાર સંશોધન મુજબ, આવા ખાસ પોલિમર સેન્સર્સ લગભગ 40% આરોગ્ય સંભાળ સેન્સર એપ્લિકેશન્સ પર કબજો કરી શકે છે, કારણ કે તેઓ ઘણા વિકલ્પો કરતાં લાંબા સમય સુધી ચાલે છે અને સ્પષ્ટ સંકેતો આપે છે. એક ખાસ ચોસણીયુક્ત પેચે પણ અદ્ભુત પરિણામો દર્શાવ્યા છે, જેમાં એટ્રિયલ ફિબ્રિલેશન તરીકે ઓળખાતા અનિયમિત હૃદય ધબકારાને શોધવામાં લગભગ 96% ચોકસાઈ પ્રાપ્ત થઈ છે. આવી કામગીરીનો અર્થ એ છે કે આપણે રોજબરોજના જીવનમાં વહેલી તકે રોગની શોધ માટે ખરેખરી ઉપયોગી વસ્તુ તરફ જોઈ રહ્યા છીએ.
સાંભળવાની સિગ્નલ પ્રોસેસિંગમાં સુધારો કરવા માટે કોક્લિયર ઇમ્પ્લાન્ટ્સ વધુને વધુ પિઝોઇલેક્ટ્રિક સેરામિક્સનો ઉપયોગ કરે છે. આ સામગ્રી ધ્વનિ કંપનને સ્પષ્ટ વિદ્યુત આવેગમાં ફેરવે છે, ખાસ કરીને ભાષા સમજવા માટે જરૂરી ઊંચી આવૃત્તિની રેન્જમાં. તાજેતરના પ્રોટોટાઇપ્સ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિસ્ટમ કરતાં 17% વધુ ડાયનેમિક રેન્જ પૂરી પાડે છે, જે અવાજયુક્ત વાતાવરણમાં ધ્વનિની ધારણામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરે છે.
પીઝોઇલેક્ટ્રિક સેન્સર્સને સમાવવાથી મનુષ્યો સ્પર્શને કેવી રીતે અનુભવે છે તેની નકલ કરતી નવી ઇ-સ્કિન ટેક્નોલોજી ધીમે ધીમે પ્રચલિત થઈ રહી છે. આવી કેટલીક ઉન્નત સ્કિન 0.1 કિલોપાસ્કલ જેટલા ઓછા દબાણને પણ સંવેદન કરી શકે છે, જે મૂળભૂત રીતે કોઈ વ્યક્તિ તેની આંગળી હળવેથી કંઈકને સ્પર્શે ત્યારે થતા દબાણ જેટલું જ છે. ખરો જાદુ એ ત્યારે થાય છે જ્યારે આ સિસ્ટમ તુરંત પ્રતિસાદ આપે છે, જે પ્રોસ્થેટિક્સ જેવી વસ્તુઓ માટે ખૂબ જ ઉપયોગી બને છે જ્યાં લોકોને તેઓ શું સ્પર્શ કરી રહ્યા છે તે જાણવાની જરૂર હોય છે, અથવા સૂક્ષ્મ સર્જરીઓમાં વપરાતી તે ફેંસી રોબોટિક આર્મ્સ માટે. 2021 માં સામગ્રીનો અભ્યાસ કરતા સંશોધકોએ શોધ્યું હતું કે ઝિન્ક ઑક્સાઇડ નેનોવાયર્સ બહુ મોટી સંખ્યામાં વિકલ્પો કરતાં લાંબા સમય સુધી ટકી શકે છે. અડધા મિલિયન વખત વાંકા વાળ્યા પછી પણ તેઓ યોગ્ય રીતે કાર્ય કરતા રહ્યા. આવી ટકાઉપણાની સાથે સાજા થતી ઘા પર નજર રાખવી તેથી માંડીને જટિલ ઓપરેશન દરમિયાન વધુ સારી રીતે પ્રતિક્રિયા આપતા રોબોટ્સ વિકસાવવા સુધીની તમામ પ્રકારની મેડિકલ એપ્લિકેશન્સ માટે શક્યતાઓ ખુલે છે.
પિઝોઇલેક્ટ્રિક બાયોસેન્સર આજના સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેન્સર કરતાં લગભગ દસ ગણી વધુ સંવેદનશીલતા સાથે બાયોમાર્કરને ઓળખવા માટે કેટલાક સેરામિક્સમાં જોવા મળતા ચાર્જ ઉત્પન્ન કરતા ગુણધર્મોનો ઉપયોગ કરે છે. આ ઉપકરણો અણુઓ જ્યારે એકબીજા સાથે જોડાય છે ત્યારે રેઝોનન્સ ફ્રીક્વન્સીમાં થતા ફેરફારને પકડી પાડીને કામ કરે છે, જેનાથી ડૉક્ટરો સેપ્સિસના વિકાસ કે કેન્સરના ફેલાવાને પહેલાં કરતાં ઘણી વહેલી તારીખે શોધી શકે છે. તાજેતરમાં એક ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ અભ્યાસમાં સંશોધકોએ પ્રદર્શિત કર્યું હતું કે આવા સેન્સર કાર્ડિયાક ટ્રોપોનિન Iને મિલિલિટર દીઠ 0.01 નેનોગ્રામ જેટલા ઓછા સ્તરે પણ શોધી શકે છે. આવી સંવેદનશીલતા એ ચૂપચાપ થતા હાર્ટ એટેકને શોધવામાં મોટો ફરક લાવે છે, જે ઘણી વખત ઘણું મોડું થઈ જાય ત્યાં સુધી નોંધાતા નથી.
પીઝોઇલેક્ટ્રિક એક્ચ્યુએટર નીચેના માધ્યમથી અત્યંત લક્ષ્યિત દવા ડિલિવરી સક્ષમ બનાવે છે:
ક્લિનિકલ ટ્રાયલ દર્શાવે છે કે પીઝોઇલેક્ટ્રિક માઇક્રો-પંપ રક્ત-મગજના અવરોધ પાર કરીને ચોકસાઈપૂર્વક ડોઝ આપવાથી પાર્કિન્સનની દવાઓની બાજુની અસરો 62% ઘટાડે છે.
નવીનતમ નેનો પાઇઝોઇલેક્ટ્રિક સેરામિક્સ નાના ઉપકરણોનો અર્થ ઓછો પાવર આઉટપુટ હોય તેવી જૂની મર્યાદાઓમાંથી બહાર નીકળી રહી છે. PMN PT નેનોવાયરને ઉદાહરણ તરીકે લો, આ નાની રચનાઓ 500 નેનોમીટર જાડાઈ હોવા છતાં લગભગ 85 ટકા વોલ્ટેજ કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે. અને તેમને ખરેખર ખાસ બનાવતું શું છે? તેઓ તેમના સિગ્નલ બેઝલાઇનથી લગભગ ડ્રિફ્ટ કરતા નથી, 10 હજાર ચક્રો પસાર કર્યા પછી પણ 0.1 ટકાથી ઓછી ડ્રિફ્ટ ધરાવે છે. આનો વ્યવહારિક અર્થ શું છે? આપણે હવે એવા ઇમ્પ્લાન્ટેબલ સેન્સર જોઈ રહ્યા છીએ જે સામાન્ય સિક્કાની અંદર બંધબેસે છે અને એક જ ચાર્જ પર પાંચ વર્ષ સુધી ચાલે છે. આવી સુધારાઓ ડાયાબિટીસ અથવા હૃદયની સ્થિતિ જેવી ચીજોનું ચાલુ મોનિટરિંગ જરૂરી હોય તેવા દર્દીઓ માટે બેટરીને નિરંતર બદલવાની જરૂરિયાત દૂર કરે છે.
EN
