Пьезоэлектрик керамикаар хийсэн анагаахын сенсорууд нь цусны даралт өөрчлөгдөх эсвэл тайрал дуу гаргах зэрэг механик хүчний нөлөөг хэмжих боломжтой цахилгаан дохионд хувиргадаг тул бие махбодид үүсэх маш жижиг өөрчлөлтийг мэдрэх чадвартай. Энд явагдаж буй процессын үед керамик материал микроскопын түвшинд деформацид орж, гадаргуугийн цэнэгийг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь түүнд үйлчилж буй стресстэй таарч байдаг. Тухайлбал сонографийн зураг авах технологийг авч үзвэл эдгээр тусгай керамикууд нь хуучин цахилгаан соронзон системүүдтэй харьцуулахад ойролцоогоор 40 хувиар илүү сайн зургийн чанар өгдөг. Энэ нь эмч нарт 1 миллиметргээс бага хэмжээтэй эд эсийн жижиг асуудлыг илрүүлэх боломжийг олгодог. Энэ технологийн тусламжтайгаар төхөөрөмжүүд 0.01 Ньютон хүртэлх хүчийг мэдэрч чаддаг бөгөөд булчингийн мэдрэлийн харилцан үйлчлэлийг хянах эсвэл биеийн жижиг судсаар цус яаж урсаж байгааг ажиглахад шаардлагатай.
Медицин хэрэглээнд ашигладаг пьезо цахилгааны сенсорууд -20°C-с 50°C хүртэлх температурын хэлбэлзэлд ч байхад хэмжилтийнхээ тогтвортой байдлыг ±0.5%-д багаар хадгалдаг. Сүүлийн үеийн эмнэл зүйн шалгуураар үзвэл ингийн сенсорууд деформацийн гүйцэтгэлтэй харьцуулахад ойролцоогоор гурван дахин илүү сайн ажиллаж, стрейн гажуудлыг 1.5%-иас доош байлгадаг тул эмчид удаан хугацаанд найдвартай унших боломжийг олгодог. Энэ нь тархины шигдээсийн дараа тавиланг хянах, Паркинсоны шинжийн треморын хүндийн зэргийг хэмжих зэрэг асуудлуудад маш их ач холбогдолтой. Өнгөрсөн жил гаргасан судалгаанд харуулсан байдлаар харимхайн материал ашиглан үйлдвэрлэсэн эдгээр сенсорууд цагт зөвхөн 0.08 микровольтын хазайлттай байдаг байв. Энэ нь нарийн ажиллагааны нэгжид тархины доторх даралтыг нарийвчлан хэмжих нь шууд амь авч гаргадаг нөхцөлд маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
НИК-д пьезо цахилгааны сенсорын массивуудын тусламжтайгаар амьсгал бөглөрөхийг хуучин арга байдлаас ойролцоогоор 12 секунд илүү хурдан тогтоож чадсан тул 324 өвчтөнд хийсэн судалгаагаар үзүүлэв. Зүрхний мониторингийн хувьд Майо Клиник дээр зургаан сарын туршид катетерийн шинжилгээтэй ойролцоогоор 99,2% нарийвчлалтай тохирсон нано бүтэст пьезо керамик агуулсан төхөөрөмжүүдийг ашиглаж байна. Ирээдүйд ч гэсэн сонирхол татамжтай хөгжил гарч байна. Ходоодны булчингийн хөдөлгөөнийг 50-2000 Гц давтамжийн хоорондох гэдэсний авиа хоосрохыг сонсох замаар хянах шинэ сенсоруудыг одоо туршлагатай байна. Энэ нь анхдагч туршилтууд үзүүлснээр эндоускопийг бараг 40%-иар бууруулах боломжтой тул ихэвчлэн тав тухгүй мэдрэмжийг бууруулахад хүргэж болзошгүй юм.
Дууны долгиор шинжилгээний төхөөрөмжүүдийн зүрэгт пьезо цахилгаан керамик байхгүй бол тэдгээр нь бараг ижил чадваргүй ажиллах болно. Эдгээр онцгой материалууд цахилгааныг авч, 2-18 МГц хоорондын өндөр давтамжит хэвийн хэлбэлзлийг үүсгэж, эдгээр нь биеийн эд эсүүдийг нэвтрэн орж чаддаг. Тэдгээрийн үнэ цэнэ нь удаан хугацаанд тогвортой байдагт оршдог. Чанартай ихэнх керамикууд сканерийн ажиллагааны цагаар ч гэсэн фазын налалтаа ойролцоогоор хагас градусын дотор хадгалж чаддаг бөгөөд жирэмсэн эмэгтэйчүүдийн жижиг зүрхний цохилтыг хянах эсвэл хэвлийн сканерийн үед жижиг асуудлыг илрүүлэх үед эмч нар энэ дээр маш их хамаардаг. Эдгээр керамикийн өөр нэг сайн тал бол дохиог илгээх, мөн буцаж ирсэнийг хүлээн авч чаддаг явдал юм. Энэ хоёр чиглэлтэй харилцаа холбоо нь машинууд дэлгэц дээрхээ өнөөгийн үеийн дэлгэрэнгүй зургийг үүсгэх боломжийг олгодог. Одоо үед бүх орчин үеийн оношилгооны дууны долгиор шинжилгээний системүүд энэ технологид үндэслэж байгаа бөгөөд статистикийн мэдээллээр ойролцоогоор 89 хувийн клиник эдгээр зарчимд суурилсан төхөөрөмж ашигладаг.
Тэгш үлэгдэх титанат цирконатын харимхай материал (PZT) нь гэрийн гуравдугаар зууны туршид медицинэн дүрслэлийн хэрэглүүрт гол материалын нэг байв. Гэсэн хэдий ч, нано инженерчлэлийн шинэ керамик материалиуд гарч ирэхэд байдал өөрчлөгдсөн бөгөөд тэдгээрийн d³³ коэффициент нь ойролцоогоор 650 пм/В буюу PZT-ийн 450 пм/В-ийг давж, ойролцоогоор 40%-иар илүү сайн үзүүлэлттэй болсон. Энэ практик дээр юу гэсэн үг вэ? Энэ нь орчин үеийн хувиргаурууд артерийн тосгуур хананы 0.2 мм зузаан өөрчлөлтийг ч тодорхойлох боломжийг олгоно, харин энэ нь хуучин хэрэгслээр боломжгүй байсан. Өмнөхтэй харьцуулахад дүрслэлийн нарийвчлал гурвалсан нэмэгдсэн. Одоогийн үед ихэнх үйлдвэрлэгчид уламжлалт материалаас хазайж, харимхай барийн титанат лугшилтууд шиг харилцангуй орчин үеийн экологийн хувьд илүү сайн сонголтууд руу шилжиж байна. Яагаад гэвэл эдгээр шинэ материалын харимхай хэсэгт харимхай бодисын агууламжийг бараг 97%-иар бууруулдаг тул ажиллагсад болон өвчтөнд илүү аюулгүй байдаг. Мөн эдгээр шинэ материалын хувьд дэлгэрэнгүй дүрслэлийн далайц 15%-иар өргөссөн бөгөөд энэ нь эмч нар сканнер хийх үед тонгорлын ялгаатай түвшинд тодорхой дүрсийг авахад тоног төхөөрөмжийг тасралтгүй солих шаардлагагүй болгодог.
Дууын долгионы гүйцэтгэлийг сайжруулж буй гурван гол инноваци:
| Хөгжил | Эмнэлгийн нөлөө | Техникийн давуу тал |
|---|---|---|
| Олон давхаргатай давхарлалт | 0.3 мм-ийн хүзүүний булчирхайн зангилааг ялгаж таних | дохио/шуугианы харьцаа 8 дБ-р сайжрах |
| Муруй массивын загварчлал | зүрхний визуализацид 152° харааны талбай | дууны сүвийн дүрсийн цацрагийн сүүдрийг 25% бууруулах |
| Давтамжийн нэмэгдэл | Хөхний жижиг кальцификацийг тодорхойлно | Хос 5/10 МГц-ийн холимог |
Хиймэл оюунд суурилсан загварын таних системтэй хослуулбал эдгээр ахицууд нь 2023 оны JAMA Imaging судалгаагаар эрт үеийн хавдар илрүүлэхэд 94% нарийвчлалыг дэмждэг.
Пьезоэлектрик керамик багаж нь хирургийн үед ойролцоох эдийг гэмтээхээс хамгаалахад тусалдаг 28-32 килогерцын жижиг хэврэг хэлбэлзлийн тусламжтайгаар ясыг маш нарийн нарийвчлалтайгаар тасалдаг. Бодит тоонууд ч гайхалтай бөгөөд эдгээр багаж нь таслах үед зөвхөн 0.1 миллиметр нарийвчлалд хүрч, мэс заслын үеийн цус алдалтыг бараг 60%-иар бууруулдаг. Тэдгээрийг онцлог болгох нь зөвхөн хатуу ясны материалд зориулан давтамжаа тохируулах чадвар юм. Иймээс мэдрэлийн ширхэг гэмтэхээс хамгаалагддаг. Энэ нь аарцгийн нум эсвэл амны хөндий шиг нарийн бүс нутгуудад ялангуяа чухал учраас буруу зүйлд хүрснээр ирээдүйд саа, үргэлжид өвдөх зэрэг асуудал үүсэхээс эмчид зайлсхийхийг хүсдэг.
Онцгой хэмжээний скейлерүүд өнөөдөр үйл ажиллагаандаа пьезо цахилгааны керамикийг ашигладаг бөгөөд минутанд 20,000-с бараг 45,000 хүртэл хэлбэлзэл үүсгэдэг. Эдгээр төхөөрөмжүүд эвгэр шүдний шугамын доорх биологийн бүрхэвчийн ойролцоогоор 95 хувийг цэвэрлэж чаддаг тул үйлчлүүлэгчдийн эмчилгээний тав тухыг ихээр сайжруулдаг. Эдгээр хэрэгслүүдийг устгах арга барилын оронд ашиглах үед шүдний эмийн гадаргуу гэж хэлбэлзэх нь хуучин арга барилтай харьцуулахад ойролцоогоор 70 хувиар багасдаг байна. Ийм гладкийн дараа нь салхины микробууд дахин наалдах магадлал бага байдаг. Скейлерийн хамгийн сүүлийн үеийн загваруудад бодит цагийн импедансийн мэдрэгчийн технологийг суурилуулсан байдаг. Энэ онцлог нь шүдний эмчид процедурын туршид шүдний чулууны туяа ямар нягттай байгааг мэдрэхэд тусалдаг. Үүний дүнд шүдний ясан дээгүүрийг илүү үр дүнтэйгээр хийх боломжтой болж, пародонтиттэй хүмүүст нийтдээ илүү сайн үр дүн гаргадаг.
Эдгээр төхөөрөмжүүд бодитой эмнэлзүйн давуу талуудыг санал болгодог боловч ихэнх эмнэлгүүд одоогоор хурдан шилжихээс зайлсхийж байна. Нэгжид 18,000-55,000 ам.долларын хоорондхь өртөг нь маш өндөр гэж ойролцоогоор 42 хувь нь илэрхийлж, мөн материалын биед ажиллах чадварын талаар анхааралтай байна. Жижиг хэсгүүд цагаар тэвчихэд задрахаас сэргийлэхийн тулд тусгай цэвэрлэх арга хэмжээ шаардлагатай. Мөн эмч нар өөрсдийнх нь юу гэж хэлж байгааг мартаагүй байвал, 2024 оны сүүлийн судалгаагаар дунджаар гурван хоёр хувь орчим хагалгааны эмч нар ийм давтамжин тохиргоотой ажиллахын өмнө нэмэлт сургалт шаардлагатай гэж үзэж байна. Зөвшөөрлийн байгууллагаас зөвшөөрөл авах нь өөр нэг саад болдог. Пьезоэлектрик хагалгааны тоног төхөөрөмжийн хувьд FDA-аас зөвшөөрөл авахад 18-24 сар зарцуулдаг бөгөөд энэ нь ердийн хагалгааны тоног төхөөрөмжийнхөөс бараг хоёр дахин удаан байдаг. Ийм хүлээлт нь шинэ технологийг мэс заслын өрөөнд хурдан нэвтрүүлэхийг бодитоор удаашруулдаг.
PVDF шиг шинэ нугаламт пьезоэлектрик материалууд эдгээрээр хэмжигдэхүүн зүйлсийг өдөр тутам хэрэглэдэг байгууламжаар хянах аргыг өөрчилж байна. Эдгээр датчикууд артерийн цусны урсгал, амьсгалын хэмнэлсэн хөдөлгөөнийг ердийн хөдөлгөөнд саад болохгүйгээр мэдрэх чадвартай. Тэдгээрийг гарын бээлий эсвэл цээжний самбарт суурилуулахад эмч нар зүрхний үйл ажиллагааг өдрийн турш хянах боломжтой болно. 2025 оны сүүлийн үеийн зах зээлийн судалгаагаар эдгээр онцгой полимер датчикууд илүү их хугацаагаар үргэлжлэх, олон орлох шийдлээс илүү нарийвчлалтай дохио өгдөг учраас эрүүл мэндийн хяналтын датчины бараг 40% хэрэглээнд эзлэх боломжтой юм. Тус тусгай наалт нь тархины хатгалгааны үед тохиолддог зүрхний цахилгаан бичлэгийн алдааг олоход ойролцоогоор 96% нарийвчлалтай үр дүнтэй байсан. Ийм амжилт нь өдөр тутмын амьдралд эрт үедээ өвчин илрүүлэхэд энэ нь бодитоор ашигтай зүйл болохыг харуулж байна.
Сонсголын дохионы боловсруулалтыг сайжруулахын тулд кохлеар имплантатууд нь пьезо цахилгаан керамикийг бүр элэгш ашиглаж байна. Эдгээр материалууд ярих чадварын ойлголтод чухал өндөр давтамжийн мужид онцгойлон дууны хэвчинг илүү тод цахилгаан сэргээн хувиргадаг. Саяхан гаргасан загварууд нь цахилгаан соронзон системүүдтэй харьцуулахад 17% өргөн динамик хүрээтэй байдаг бөгөөд шуугиантай орчинд дууны мэдрэмжийг ихэд сайжруулдаг.
Пьезо цахилгааны сенсоруудийг хүмүүсийн хүрэх мэдрэхүйг дуурайхуйц шинэ e-арьсны технологи нь долгион үүсгэж эхэлж байна. Эдгээр дэвшилтэт арьснуудын зарим нь ойролцоогоор 0.1 килопаскалийн даралтыг мэдрэх чадвартай бөгөөд энэ нь хэн нэгэн зүйлсийг хөнгөн зүйлээр гараараа шүргэхтэй бараг ижил юм. Бодитоор энэ сүлд нь системүүд бодит цагт хариу өгөх боломжийг олгодогт оршдог тул хүмүүс юу хүрэхээ мэдэх шаардлагатай протез, эсвэл нарийн мэс заслын үед ашигладаг амгалан робот техникт маш ихээр тохиромжтой болгодог. 2021 онд материал судалж байсан судлаачид цайрын исэл нано утаснууд нь бусад ихэнх сонголтуудаас илүү урт хугацаагаар ажилладагийг олжээ. Тэд таван зуу мянгаас дээш удаа нугаламтгай байдалд орсны дараа ч гэсэн зөв ажиллаж байлаа. Ийм тэсвэрт чадвар нь эдгэрэх сорвитой хяналт тавихаас эхлээд нарийн үйл ажиллагааны үед илүү сайн хариу үзүүлдэг роботуудыг хөгжүүлэх хүртэл олон төрлийн эмнэлгийн хэрэглээнд боломж нээж өгдөг.
Пьезоэлектрик биосенсор нь тодорхой керамик материалаас үүсэх цэнэгийн шинж чанарыг ашиглан орчин үеийн ердийн электрохимийн сенсоруудтай харьцуулахад ойролцоогоор арван дахин илүү мэдрэг чанартайгаар биомаркерийг олж илрүүлдэг. Молекулууд хоорондоо холбогдох үед резонанс давтамжинд өөрчлөлт орж, түүнийг энэ төхөөрөмжүүд мэдэрдэг тул сепсисийн эхлэл эсвэл хорт хавдар үүсэхийг өмнө нь боломжитгоос хамаагүй эрт илрүүлэх боломжийг эмчид олгодог. Саяхан хийгдсэн маш чухал судалгаанд судлаачид ийм төрлийн сенсорууд кардио тропонин I-ийг миллилитр тутамд зөвхөн 0.01 нанограмм хэмжээтэй түвшинд илрүүлж чаддаг болохыг туршлагаар харуулсан. Ийм түвшийн мэдрэг чанар нь ихэвчлэн хэт эрт үедээ анзаарал татаагүйгээр явагдаж, хожим үедээ л ангижрах зовиуртай зүрхний шигдээсийг цаг алдалгүй илрүүлэхэд маш их ялгаа гаргадаг.
Пьезоэлектрик ажиллагаатай төхөөрөмжүүд нь дараах зүйлсийг хэрэгжүүлэх замаар эмийг маш нарийвчлалтайгаар хүргэх боломжийг олгодог:
Эмнэлзүйн судалгааны үр дүнгээр пьезоэлектрик микро насос нь цус-тархи завсрын хоромхойд нарийвчлалтай тун хэрэглэснээр Паркинсоны өвчний эмийн хожуу үеийн үйлчилгээг 62%-иар бууруулдаг байна.
Сүүлийн үеийн нано пьезо цахилгаан керамик нь жижиг төхөөрөмжүүд нь хүч чадал багатай байх хуучин хязгаарлалтыг даван туулж байна. Жишээ нь PMN PT нано утаснууд эдгээр жижигхэн бүтэц зөвхөн 500 нанометр зузаан байх үед ч ойролцоогоор 85 хувийн хүчдэлийн үр дүнтэй болж чаддаг. Мөн тэдгээрийг бие даасан болгодог зүйл гэвэл дохионы сууриндаа бараг хазайхгүй бөгөөд 10 мянган цикл ажилласны дараа ч 0.1 хувийн доор хазайлттай байна. Энэ юуны учир бол? Одоо бид нэг л зоосны хэмжээтэй дотор нь суулгаж болох, ганц удаа цэнэглэснээрээ бүхэлдээ таван жил ажиллах боломжтой мэдрэгчидийг харж байна. Ийм төрлийн сайжруулалтууд нь диабет эсвэл зүрхний өвчин шиг хяналтанд тасралтгүй хэрэгцээтэй, баттерейг тасралтгүй солих шаардлагагүй өвчтөнүүдэд маш их ялгааг гаргадаг.
EN
