पिझोइलेक्ट्रिक सिरॅमिक्समध्ये बनवलेले मेडिकल सेन्सर्स शरीरातील खूप लहान बदल ओळखू शकतात कारण ते रक्तदाबातील बदल किंवा वॉकल कॉर्ड्सचे कंपन यासारख्या यांत्रिक बलांना आपण मोजू शकण्याइतक्या विद्युत सिग्नलमध्ये रूपांतरित करतात. येथे जे घडते ते म्हणजे सिरॅमिक सामग्री सूक्ष्म पातळीवर विकृत होते, ज्यामुळे पृष्ठभागावर चार्ज निर्माण होतो जे त्यावर लागू केलेल्या ताणाशी जुळते. विशेषत: अल्ट्रासाऊंड इमेजिंगबद्दल बोलायचे झाले तर, जुन्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक सिस्टम्सच्या तुलनेत या विशिष्ट सिरॅमिक्समुळे इमेजच्या गुणवत्तेत सुमारे 40 टक्के सुधारणा होते. याचा अर्थ डॉक्टर एक मिलीमीटरपेक्षा कमी आकाराच्या ऊतींमधील लहान समस्या ओळखू शकतात. यामागील तंत्रज्ञान उपकरणांना 0.01 न्यूटनपर्यंत कमी बल जाणण्यास सक्षम करते, जे स्नायू-मज्जातंतू संवादाचे अनुसरण करण्यासाठी किंवा शरीरातील लहान रक्तवाहिन्यांमधून रक्तप्रवाह निरीक्षण करण्यासाठी अत्यंत आवश्यक आहे.
वैद्यकीय अनुप्रयोगांमध्ये वापरल्या जाणार्या पिझोइलेक्ट्रिक सेन्सर्स -20°C ते 50°C पर्यंतच्या तापमानातील बदलांमध्ये देखील ±0.5% आत त्यांचे मापन स्थिर ठेवू शकतात. अलीकडील चाचण्यांनुसार, हे सेन्सर्स स्ट्रेन गेजेसपेक्षा तीन पट चांगले कामगिरी दाखवतात. त्यांची हिस्टेरिसिस 1.5% पेक्षा कमी राहते, ज्यामुळे डॉक्टरांना लांब कालावधीसाठी विश्वासार्ह वाचने मिळतात. हे अत्यंत महत्त्वाचे आहे, उदाहरणार्थ, दर्दी ज्यांना दु:खाने येत आहेत त्यांचे निरीक्षण करणे किंवा कोणाच्या पार्किन्सनच्या कंपनांची तीव्रता किती वाढत आहे याचे मोजमाप करणे. गेल्या वर्षी प्रकाशित झालेल्या संशोधनात एक अत्यंत प्रभावी गोष्ट दिसून आली: नेतृत्व-मुक्त सामग्रीपासून बनवलेल्या या सेन्सर्सचे फक्त ताशी 0.08 माइक्रोव्होल्ट्सचे ड्रिफ्ट होते. यामुळे अचूक इंट्राक्रॅनियल दाबाच्या वाचनांची गरज असलेल्या तीव्र काळजी घेण्याच्या युनिट्समध्ये जीव वाचवण्यासाठी मोठा फरक पडतो.
324 रुग्णांवर केलेल्या संशोधनानुसार, पीसोइलेक्ट्रिक सेन्सर अॅरेमुळे जन्मलेल्या बाळांच्या आयसीयूमध्ये श्वास थांबण्याच्या (apnea) घटनांचे 12 सेकंद लवकर निदान होत असून येथे उल्लेखनीय सुधारणा झाली आहे. हृदयाच्या निरीक्षणाच्या बाबतीत, नॅनो-टेक्सचर्ड पीसोसेरॅमिक्स असलेल्या उपकरणांनी मेयो क्लिनिकमध्ये सहा महिन्यांच्या कालावधीत इनवेसिव्ह कॅथेटर रीडिंग्सच्या तुलनेत सुमारे 99.2% अचूकता मिळवली आहे. पुढे येणाऱ्या गोष्टींमध्ये आतड्याच्या गतिशीलतेचे निरीक्षण करण्यासाठी 50 ते 2000 हर्टझ वारंवारतेच्या आतड्याच्या आवाजांचे ऐकून घेणारे नवीन सेन्सर चाचणीत आहेत. यामुळे अप्रिय एन्डोस्कोपीची गरज 40% ने कमी होऊ शकते, असे प्रारंभिक चाचण्यांमधून दिसून आले आहे.
अल्ट्रासाऊंड मशीन्सना त्यांच्या मुख्य भागात पिझोइलेक्ट्रिक सेरॅमिक्स नसतील तर त्यांचे काम इतके चांगले होणार नाही. ही विशेष सामग्री विद्युत घेऊन 2 ते 18 मेगाहर्ट्ज दरम्यान उच्च-वारंवारतेच्या कंपनांमध्ये रूपांतरित करते, जी खरोखरच शरीराच्या ऊतींमधून जातात. यांच्या मूल्याचे एक कारण म्हणजे त्यांची वेळेसोबत स्थिरता. बहुतेक उच्च दर्जाच्या सेरॅमिक्स तासभर अल्ट्रासाऊंड केल्यानंतरही फक्त अर्ध्या अंशापर्यंत त्यांची फेज अलायनमेंट राखतात, ज्यावर डॉक्टर भ्रूणातील लहान हृदयाच्या ठोक्यांचा आढावा घेताना किंवा उदराच्या स्कॅनमध्ये लहान समस्या शोधताना खूप अवलंबून असतात. या सेरॅमिक्सचे आणखी एक फायदेशीर वैशिष्ट्य म्हणजे ते सिग्नल पाठवणे आणि परत आलेले सिग्नल ग्रहण करणे दोन्ही करू शकतात. ही दुमार्गी संपर्क प्रणाली मशीन्सना आज आपण स्क्रीनवर पाहतो तशा तपशीलवार छायाचित्रे तयार करण्यास अनुमती देते. आजच्या बहुतांश आधुनिक नैदानिक अल्ट्रासाऊंड प्रणाली या तंत्रज्ञानावर अवलंबून आहेत, आणि आकडेवारीनुसार अंदाजे 89 टक्के क्लिनिक्स या तत्त्वांवर आधारित उपकरणे वापरतात.
पंचावन वर्षांहून अधिक काळ, लेड झिर्कोनेट टायटेनेट (PZT) वैद्यकीय प्रतिमा अनुप्रयोगांसाठी मुख्य साहित्य आहे. पण जेव्हा नॅनो-अभियांत्रित सिरॅमिक्स दिसायला लागली, ज्यांचे d³³ गुणांक जवळपास 650 pm/V इतके उत्तम होते, जे PZT च्या 450 pm/V च्या तुलनेत खरोखर 40% चांगले आहे, तेव्हा परिस्थिती बदलली. याचा व्यवहारात काय अर्थ होतो? आधुनिक ट्रान्सड्यूसर्स 0.2mm जाडीपर्यंतच्या धमनी प्लेक्स ओळखू शकतात, जे जुन्या उपकरणांसह अशक्य होते. आपल्याकडे असलेल्या आधीच्या तुलनेत रिझोल्यूशन तिप्पट वाढले आहे. आजकाल बहुतेक उत्पादक पारंपारिक साहित्यापासून बेरियम टायटेनेट संयुगे सारख्या पर्यावरणास अनुकूल पर्यायांकडे वळत आहेत. का? कारण ते श्रमिक आणि रुग्ण दोघांसाठीही खूप सुरक्षित बनविण्यासाठी शेकडो 97% ने लेड सामग्री कमी करतात. तसेच ही नवीन साहित्य आपल्याला 15% विस्तृत बँडविड्थ देतात, ज्यामुळे डॉक्टरांना स्कॅनिंग दरम्यान उपकरणे नेहमी बदलण्याची आवश्यकता न भासता विविध खोलींवर स्पष्ट प्रतिमा मिळू शकतात.
अल्ट्रासाऊंड कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी तीन महत्त्वाच्या नाविन्यपूर्ण गोष्टी आहेत:
| प्रगती | क्लिनिकल प्रभाव | तांत्रिक फायदा |
|---|---|---|
| मल्टी-लेयर स्टॅकिंग | 0.3 मिमी थायरॉईड नोड्यूल्सचे विभेदन करते | 8dB सिग्नल-टू-नॉइस रेशो सुधारणा |
| वक्र अॅरे डिझाइन्स | हृदय छायाचित्रणसाठी 152° दृष्टिक्षेत्र | ध्वनिक छाया 25% ने कमी झाली |
| आवृत्ती संयुग | स्तनांमधील सूक्ष्म कॅल्सिफिकेशन्स ओळखते | दुहेरी 5/10 मेगाहर्ट्झ समन्वय |
एआय-सक्षम पॅटर्न ओळखीसह जुळवल्यावर, 2023 जामा इमेजिंग अभ्यासानुसार या प्रगतीच्या मदतीने लवकर टप्प्यातील ट्यूमर शोधण्याची अचूकता 94% आहे.
लहान कंपन जे सुमारे 28 ते 32 किलोहर्ट्झ इतके असतात, त्यांच्या मदतीने पिझोइलेक्ट्रिक सेरॅमिक औजारांनी हाडे अत्यंत अचूकपणे कापली जातात, ज्यामुळे शस्त्रक्रियेदरम्यान जवळपासचे मऊ उती बरोबर राहतात. वास्तविक संख्या देखील खूप प्रभावशाली आहेत—या यंत्रांची कटिंग फक्त 0.1 मिलीमीटरपर्यंत अचूक असू शकते, आणि त्या ऑपरेशनदरम्यान रक्तस्त्राव जवळपास 60% पर्यंत कमी करतात. त्यांना खरोखर विशेष बनवणारी गोष्ट म्हणजे फक्त कठीण हाडाच्या पदार्थावर लक्ष केंद्रित करण्यासाठी त्यांची वारंवारता समायोजित करण्याची क्षमता, ज्यामुळे मज्जातंतू अबाधित राहतात. हे विशेषत: महत्त्वाचे आहे, विशेषत: मणका किंवा तोंडासारख्या गुंतागुंतीच्या भागांमध्ये, जिथे चुकीच्या गोष्टीला धक्का लागल्यास नंतर गंभीर समस्या उद्भवू शकतात, ज्यामध्ये शक्यतो पक्षाघात किंवा डॉक्टर टाळण्याचा प्रयत्न करतात अशा सततच्या वेदनांचा समावेश होतो.
आजचे अल्ट्रासोनिक स्केलर पिएझोइलेक्ट्रिक सेरॅमिक्सवर अवलंबून असतात, जे प्रति मिनिट 20,000 ते जवळपास 45,000 कंपने निर्माण करतात. या उपकरणांमुळे दातदाबाखालील जैवफिल्मच्या जवळपास 95 टक्के प्रमाण काढून टाकले जाते, ज्यामुळे रुग्णांसाठी उपचार खूप आरामदायी होतात. अभ्यासात असे आढळून आले आहे की पारंपारिक पद्धतींऐवजी या साधनांचा वापर केल्यास स्केलिंगनंतर दाताच्या मजबुतीच्या पृष्ठभागावरील खडखडीटपणा सुमारे 70% ने कमी होतो. हा निर्मळ परिणाम भविष्यात बॅक्टेरियाच्या चिकटण्याची शक्यता कमी करतो. या स्केलरच्या नवीनतम आवृत्तींमध्ये वास्तविक-वेळेतील प्रतिबाधा संवेदन तंत्रज्ञान असते. ही वैशिष्ट्य दंतवैद्यांना प्रक्रियेदरम्यान खनिज जमा खरोखर किती घन आहेत हे जाणून घेण्यास मदत करते. परिणामी, ते मुळांच्या नियोजनाचे काम अधिक प्रभावीपणे करू शकतात, ज्यामुळे मसूढ़यांच्या समस्यांशी झुंज देणाऱ्या लोकांसाठी एकूणच चांगले परिणाम मिळतात.
या उपकरणांमध्ये खरोखरच वैद्यकीय फायदे आहेत, तरीही बहुतेक रुग्णालये अजूनही त्यांचा वापर स्वीकारत नाहीत. जवळपास 42 टक्के रुग्णालयांचे म्हणणे आहे की प्रति युनिट 18,000 ते 55,000 डॉलर्सची किंमत फार जास्त आहे, शिवाय शरीरातील सामग्रीच्या कार्यक्षमतेबद्दलही त्यांना चिंता वाटते. कालांतराने त्यांचे विघटन होऊ नये म्हणून लहान भागांना विशेष स्वच्छता प्रक्रियांची आवश्यकता असते. आणि डॉक्टरांच्या मताचा विसरू नका - 2024 च्या एका अलीकडील सर्वेक्षणानुसार, जवळपास दोन-तृतीयांश शस्त्रक्रिया तज्ञांच्या मते या विशिष्ट आवृत्ती सेटिंग्जसह काम करण्यापूर्वी त्यांना अतिरिक्त प्रशिक्षणाची आवश्यकता आहे. नियामक मंजुरी मिळवणे ही एक वेगळीच अडचण आहे. पिझोइलेक्ट्रिक शस्त्रक्रिया साधनांसाठी, FDA मंजुरी मिळवण्यासाठी सुमारे 18 ते 24 महिने लागतात, जे सामान्य शस्त्रक्रिया उपकरणांच्या तुलनेत जवळपास दुप्पट कालावधी आहे. ऑपरेशन थिएटरमध्ये नवीन तंत्रज्ञान आणण्याच्या प्रयत्नांना अशा प्रकारच्या विलंबामुळे खूप मंद प्रगती होते.
PVDF सारख्या नवीन लवचिक पिझोइलेक्ट्रिक सामग्रीमुळे आपण विअरेबल्सद्वारे आपल्या आरोग्याचे निरीक्षण कसे करतो यात बदल होत आहे. हे सेन्सर सामान्य हालचालींना अडथळा न आणता धमनीच्या ठोक्यांवर आणि श्वास घेण्याच्या पद्धतींवर प्रतिक्रिया देऊ शकतात. जेव्हा हे बांगड्या किंवा छातीवर लावण्याच्या स्टिकरमध्ये बसवले जातात, तेव्हा डॉक्टरांना दिवसभर हृदयाच्या गतिविधींचे अनुसरण करता येते. 2025 च्या अलीकडील बाजार संशोधनानुसार, या विशिष्ट पॉलिमर सेन्सर्सचा आरोग्यसेवा सेन्सर अर्जापैकी जवळपास 40% भाग घेण्याची शक्यता आहे कारण इतर अनेक पर्यायांच्या तुलनेत ते अधिक काळ टिकतात आणि स्पष्ट संकेत देतात. एक विशिष्ट चिकट पॅचनेही उत्तम परिणाम दर्शविले आहेत, अनियमित हृदयगती म्हणजेच एट्रियल फिब्रिलेशन ओळखण्यात जवळपास 96% अचूकता प्राप्त केली आहे. दैनंदिन जीवनात आजारांच्या लवकर शोधासाठी आपण खरोखरच उपयुक्त असे काहीतरी पाहत आहोत याचे हे प्रदर्शन आहे.
कानाच्या कर्णकांमध्ये ऐकण्याच्या सिग्नल प्रोसेसिंगमध्ये सुधारणा करण्यासाठी अधिकाधिक पिझोइलेक्ट्रिक सेरॅमिक्सचा वापर केला जात आहे. ही सामग्री ध्वनीच्या कंपनांना विशेषतः भाषण समजण्यासाठी महत्त्वाच्या असलेल्या उच्च-वारंवारता श्रेणीत स्पष्ट विद्युत आवेगांमध्ये रूपांतरित करते. अलीकडील प्रोटोटाइप्स विद्युतचुंबकीय प्रणालींपेक्षा 17% विस्तृत गतिशील श्रेणी देतात, ज्यामुळे गोंधळाच्या वातावरणात ध्वनीच्या धारणेमध्ये मोठ्या प्रमाणात सुधारणा होते.
पीझोइलेक्ट्रिक सेन्सर्सचा समावेश करून मानवी स्पर्शाची अनुभूती नक्की कशी जाणवते याची नवीन इ-स्किन तंत्रज्ञान लाट घालत आहे. या प्रगत स्किन्सपैकी काही खरोखर 0.1 किलोपास्कलपर्यंतचे दाब जाणू शकतात, जे मूलत: एखाद्याचा बोटाचा टोक गोष्टीवर हलक्याने फिरवल्याप्रमाणे असतो. खरा जादू तेथे घडते कारण या प्रणाली त्वरित प्रतिसाद देतात, ज्यामुळे प्रोस्थेटिक्ससारख्या गोष्टींसाठी खूप उपयुक्त ठरतात जेथे लोकांना त्यांच्या स्पर्शाची जाणीव असणे आवश्यक असते किंवा नाजूक शस्त्रक्रियांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या त्या फॅन्सी रोबोटिक आर्मसाठी. 2021 मध्ये सामग्रीकडे पाहणाऱ्या संशोधकांनी आढळून दिले की झिंक ऑक्साइड नॅनोवायर्स बहुतेक इतर पर्यायांपेक्षा जास्त काळ टिकतात. अर्धा दशलक्ष वेळा वाकवल्यानंतरही ते योग्यरित्या कार्य करत राहिले. अशा कठोरतेमुळे उपचाराधीन जखमांचा विश्लेषण करणे ते जटिल ऑपरेशन्स दरम्यान चांगल्या प्रतिसाद देणारे रोबोट विकसित करणे अशा विविध वैद्यकीय अनुप्रयोगांसाठी शक्यता उघडतात.
पिझोइलेक्ट्रिक बायोसेन्सर्स निश्चित मेणामध्ये आढळणाऱ्या चार्ज उत्पन्न करण्याच्या गुणधर्मांचा वापर आज बाजारात उपलब्ध असलेल्या सामान्य इलेक्ट्रोकेमिकल सेन्सर्सच्या तुलनेत दहा पट जास्त संवेदनशीलतेने बायोमार्कर्स ओळखण्यासाठी करतात. ही उपकरणे रेझोनन्स वारंवारतेत फरक ओळखून काम करतात जेव्हा रेणू एकत्र बांधले जातात, ज्यामुळे डॉक्टरांना सेप्सिसचा विकास किंवा कर्करोगाचा प्रसार आतापर्यंत शक्य झालेल्यापेक्षा खूप लवकर ओळखता येतो. अलीकडेच एक महत्त्वाचा अभ्यास झाला ज्यामध्ये संशोधकांनी दाखवून दिले की अशा सेन्सर्सच्या सहाय्याने कार्डिअक ट्रॉपोनिन I ची 0.01 नॅनोग्राम प्रति मिलीलीटर इतकी कमी पातळी ओळखता येऊ शकते. अशा प्रकारची संवेदनशीलता अनेकदा उशीरापर्यंत न लक्षात आलेल्या गप्प छाती दुखीपणाच्या आजारांच्या शोधासाठी महत्त्वाची ठरते.
पिझोइलेक्ट्रिक अॅक्चुएटर्स हे खालील माध्यमातून अत्यंत निश्चित औषध वितरण सक्षम करतात:
क्लिनिकल चाचण्यांमध्ये दिसून आले आहे की रक्त-मेंदू अवरोधापारून अत्यंत अचूक डोसिंगद्वारे पिझोइलेक्ट्रिक माइक्रो-पंप पार्किन्सनच्या औषधांचे दुष्परिणाम 62% ने कमी करतात.
नॅनो पीझोइलेक्ट्रिक सेरॅमिक्सच्या नवीनतम तंत्रज्ञानामुळे लहान उपकरणांचा अर्थ ऊर्जा आउटपुट कमी असणे या जुन्या मर्यादांवर मात केली जात आहे. PMN PT नॅनोवायर्सचा विचार करा, ही लहान संरचना फक्त 500 नॅनोमीटर जाड असतानाही सुमारे 85 टक्के व्होल्टेज कार्यक्षमता प्राप्त करू शकतात. आणि यातील खास गोष्ट म्हणजे, 10,000 चक्रे पूर्ण केल्यानंतरही त्यांचा सिग्नल बेसलाइनपासून फक्त 0.1 टक्क्यांपेक्षा कमी इतका विचलन राहतो. याचा व्यावहारिक अर्थ काय? आता आपण एका सामान्य नाण्यात बसणारी इम्प्लांट करण्यायोग्य सेन्सर्स पाहत आहोत जी एकदाच चार्ज केल्यानंतर पूर्ण पाच वर्षे चालतात. मधुमेह किंवा हृदयाच्या समस्या असलेल्या रुग्णांना बॅटरी नेहमी बदलण्याची गरज न पडता सतत निरीक्षण करण्यासाठी अशा सुधारणा महत्त्वाची ठरत आहेत.
EN
