Các cảm biến y tế được làm từ gốm áp điện có thể phát hiện những thay đổi rất nhỏ trong cơ thể vì chúng chuyển đổi các lực cơ học như sự thay đổi huyết áp hoặc rung động của dây thanh âm thành tín hiệu điện thực tế mà chúng ta có thể đo được. Điều xảy ra ở đây là vật liệu gốm bị biến dạng ở cấp độ vi mô, tạo ra các điện tích bề mặt tương ứng với bất kỳ lực tác động nào đang được áp lên nó. Khi xét riêng về hình ảnh siêu âm, những loại gốm đặc biệt này mang lại chất lượng hình ảnh tốt hơn khoảng 40 phần trăm so với các hệ thống điện từ truyền thống. Điều đó có nghĩa là các bác sĩ có thể phát hiện những vấn đề nhỏ trong mô có kích thước nhỏ hơn một milimét. Công nghệ đằng sau điều này cho phép các thiết bị cảm nhận được các lực nhỏ tới mức 0,01 Newton, điều hoàn toàn cần thiết khi theo dõi sự tương tác giữa cơ và dây thần kinh hoặc quan sát cách máu lưu thông qua các mạch máu nhỏ trong cơ thể.
Các cảm biến áp điện được sử dụng trong các ứng dụng y tế có thể duy trì độ ổn định phép đo trong phạm vi ±0,5% ngay cả khi nhiệt độ dao động từ -20°C đến 50°C. Những cảm biến này vượt trội hơn hẳn so với cảm biến biến dạng, thể hiện hiệu suất tốt hơn khoảng ba lần theo các thử nghiệm lâm sàng gần đây. Độ trễ từ tính của chúng dưới 1,5%, điều này có nghĩa là bác sĩ nhận được các chỉ số đáng tin cậy trong thời gian dài. Điều này rất quan trọng đối với các trường hợp như theo dõi bệnh nhân bị co giật do động kinh hoặc đánh giá mức độ nghiêm trọng của run do bệnh Parkinson. Nghiên cứu công bố năm ngoái cũng cho thấy một kết quả khá ấn tượng: khi được chế tạo bằng vật liệu không chì, các cảm biến này chỉ lệch khoảng 0,08 microvolt mỗi giờ. Điều này tạo nên sự khác biệt lớn tại các đơn vị chăm sóc tích cực, nơi các chỉ số chính xác về áp lực nội sọ thực sự cứu sống bệnh nhân.
Khoa chăm sóc tích cực sơ sinh (NICU) đã ghi nhận những cải thiện đáng kể nhờ các mảng cảm biến áp điện, có thể phát hiện các cơn ngưng thở nhanh hơn khoảng 12 giây so với các phương pháp cũ theo nghiên cứu trên 324 bệnh nhân tại nhiều trung tâm. Trong lĩnh vực theo dõi tim, các thiết bị sử dụng gốm áp điện nano-textured đã đạt độ chính xác khoảng 99,2% so với kết quả đo xâm lấn bằng catheter trong thời gian sáu tháng tại Bệnh viện Mayo. Nhìn về tương lai, cũng đang có những phát triển thú vị sắp xuất hiện. Một số cảm biến mới đang được thử nghiệm để theo dõi nhu động ruột bằng cách thu âm các tiếng động ruột trong dải tần số từ 50 đến 2000 Hz. Những cảm biến này có thể giảm đáng kể các nội soi gây khó chịu, vì các thử nghiệm ban đầu cho thấy chúng có thể làm giảm số ca nội soi gần 40%.
Các máy siêu âm sẽ không thể hoạt động hiệu quả nếu thiếu gốm áp điện nằm ở trung tâm thiết bị. Những vật liệu đặc biệt này sử dụng điện để tạo ra các rung động tần số cao từ 2 đến 18 MHz, vốn có khả năng đi xuyên qua các mô cơ thể. Điều làm nên giá trị của chúng chính là độ ổn định theo thời gian. Hầu hết các loại gốm chất lượng cao duy trì sự căn chỉnh pha trong phạm vi khoảng nửa độ, ngay cả sau nhiều giờ quét, điều mà các bác sĩ rất tin cậy khi theo dõi những nhịp tim nhỏ bé trong bào thai hoặc phát hiện các vấn đề nhỏ trên hình siêu âm bụng. Một điểm nổi bật khác của loại gốm này là chúng vừa có thể phát tín hiệu, vừa thu nhận tín hiệu phản hồi. Giao tiếp hai chiều này cho phép các máy móc tạo ra những hình ảnh chi tiết như chúng ta thấy trên màn hình ngày nay. Gần như mọi hệ thống siêu âm chẩn đoán hiện đại đều phụ thuộc vào công nghệ này, với số liệu cho thấy khoảng 89 phần trăm các phòng khám đang sử dụng thiết bị dựa trên nguyên lý này.
Trong hơn năm mươi năm, vật liệu zirconate titanat chì (PZT) gần như là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng hình ảnh y học. Nhưng mọi thứ đã thay đổi khi các loại gốm được thiết kế ở cấp độ nano xuất hiện với hệ số d³³ ấn tượng đạt khoảng 650 pm/V, cao hơn khoảng 40% so với mức 450 pm/V của PZT. Điều này thực tế có ý nghĩa gì? Nó cho phép các bộ chuyển đổi hiện đại phát hiện các mảng xơ vữa động mạch dày chỉ 0,2 mm, điều mà các thiết bị cũ không thể thực hiện được. Độ phân giải hiện nay đã tăng gấp ba lần so với trước đây. Ngày nay, phần lớn các nhà sản xuất đang chuyển dịch khỏi các vật liệu truyền thống sang các lựa chọn thân thiện với môi trường hơn như các hợp chất titanat bari. Vì sao? Bởi vì chúng giảm hàm lượng chì tới gần 97%, làm cho chúng an toàn hơn nhiều đối với cả nhân viên và bệnh nhân. Hơn nữa, các vật liệu mới này cung cấp băng thông rộng hơn 15%, có nghĩa là bác sĩ có thể thu được hình ảnh rõ nét hơn ở các độ sâu khác nhau trong quá trình chụp mà không cần phải thay đổi thiết bị liên tục.
Ba đổi mới chính đang nâng cao hiệu suất siêu âm:
| Tiến bộ | Tác động lâm sàng | Lợi ích kỹ thuật |
|---|---|---|
| Xếp lớp nhiều tầng | Phân biệt các nốt tuyến giáp 0,3mm | cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) 8dB |
| Thiết kế đầu dò cong | góc nhìn 152° dành cho chụp hình tim | giảm 25% hiện tượng bóng âm học |
| Tần số ghép | Phát hiện các vi vôi hóa ở vú | Đồng bộ kép 5/10MHz |
Khi kết hợp với nhận dạng mẫu dựa trên trí tuệ nhân tạo, những tiến bộ này hỗ trợ độ chính xác lên đến 94% trong việc phát hiện khối u ở giai đoạn sớm, theo một nghiên cứu năm 2023 của JAMA Imaging.
Các dụng cụ gốm áp điện cắt xương với độ chính xác đáng kinh ngạc nhờ những rung động nhỏ ở tần số khoảng 28 đến 32 kilohertz, giúp bảo tồn các mô mềm xung quanh trong quá trình phẫu thuật. Những con số thực tế cũng rất ấn tượng: các thiết bị này có thể đạt độ chính xác trong phạm vi chỉ 0,1 milimét khi thực hiện các đường cắt, và giảm lượng máu mất trong ca phẫu thuật lên tới gần 60%. Điều làm nên sự đặc biệt của chúng là khả năng điều chỉnh tần số để chỉ tác động vào mô xương cứng, do đó dây thần kinh được giữ nguyên. Điều này rất quan trọng, đặc biệt ở những khu vực phức tạp như cột sống hay khoang miệng, nơi mà việc chạm phải các cấu trúc không mong muốn có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng sau này, bao gồm nguy cơ liệt hoặc các rối loạn đau kéo dài mà các bác sĩ chắc chắn muốn tránh.
Các thiết bị cạo vôi siêu âm ngày nay hoạt động dựa trên gốm áp điện, tạo ra từ 20.000 đến gần 45.000 dao động mỗi phút. Những thiết bị này có thể loại bỏ khoảng 95 phần trăm màng sinh học dưới đường viền nướu, giúp cho quá trình điều trị thoải mái hơn nhiều đối với bệnh nhân. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi sử dụng các công cụ này thay vì phương pháp truyền thống, độ nhám bề mặt men răng sau khi cạo vôi giảm khoảng 70%. Bề mặt trơn láng hơn này khiến vi khuẩn khó bám trở lại hơn. Các phiên bản mới nhất của những thiết bị cạo vôi này được trang bị công nghệ cảm biến trở kháng thời gian thực. Tính năng này giúp nha sĩ cảm nhận được độ đặc của các mảng cao răng trong suốt quá trình thực hiện. Nhờ đó, họ có thể thực hiện việc làm phẳng chân răng hiệu quả hơn, mang lại kết quả tổng thể tốt hơn cho những người đang gặp vấn đề về viêm nha chu.
Mặc dù những thiết bị này mang lại lợi ích lâm sàng thực sự, phần lớn các bệnh viện vẫn chưa sẵn sàng áp dụng. Khoảng 42 phần trăm cho biết mức giá quá cao, dao động từ 18.000 đến 55.000 USD mỗi thiết bị, ngoài ra họ còn lo ngại về hiệu quả của vật liệu khi làm việc bên trong cơ thể. Các bộ phận nhỏ cần quy trình làm sạch đặc biệt để ngăn ngừa hư hỏng theo thời gian. Và cũng không thể bỏ qua ý kiến của chính các bác sĩ – theo một khảo sát gần đây năm 2024, gần hai phần ba bác sĩ phẫu thuật cảm thấy họ cần được đào tạo thêm trước khi sử dụng các cài đặt riêng biệt theo tần số này. Việc đạt được phê duyệt quy định là một trở ngại khác. Đối với thiết bị phẫu thuật áp điện, phải mất khoảng 18 đến 24 tháng để vượt qua quy trình cấp phép của FDA, gần gấp đôi so với thiết bị phẫu thuật thông thường. Khoảng thời gian chờ đợi như vậy thực sự làm chậm tiến độ đưa công nghệ mới vào phòng mổ.
Các vật liệu áp điện linh hoạt mới như PVDF đang thay đổi cách chúng ta theo dõi sức khỏe thông qua thiết bị đeo. Những cảm biến này có thể phát hiện nhịp động mạch và các mẫu hô hấp mà không cản trở chuyển động bình thường. Khi được tích hợp vào các sản phẩm như vòng đeo tay hoặc miếng dán ngực, chúng cho phép bác sĩ theo dõi hoạt động tim suốt cả ngày. Theo nghiên cứu thị trường gần đây từ năm 2025, các cảm biến polymer đặc biệt này có thể chiếm tới gần 40% ứng dụng cảm biến y tế vì chúng bền hơn và cho tín hiệu rõ ràng hơn nhiều lựa chọn thay thế. Một miếng dán dính cụ thể cũng đã cho thấy kết quả ấn tượng, đạt độ chính xác khoảng 96% trong việc phát hiện rối loạn nhịp tim bất thường gọi là rung tâm nhĩ. Hiệu suất như vậy cho thấy chúng ta đang sở hữu một công cụ thực sự hữu ích cho việc phát hiện sớm bệnh tật trong đời sống hàng ngày.
Các thiết bị cấy ốc tai ngày càng sử dụng gốm áp điện để cải thiện xử lý tín hiệu thính giác. Những vật liệu này chuyển đổi rung động âm thanh thành các xung điện rõ ràng hơn, đặc biệt trong dải tần số cao quan trọng cho việc hiểu lời nói. Các nguyên mẫu gần đây cung cấp một phạm vi động rộng hơn 17% so với các hệ thống điện từ, cải thiện đáng kể khả năng cảm nhận âm thanh trong môi trường ồn ào.
Công nghệ da điện tử mới đang bắt đầu tạo được tiếng vang nhờ tích hợp các cảm biến áp điện có khả năng mô phỏng cách con người cảm nhận xúc giác. Một số loại da điện tử tiên tiến này thực sự có thể cảm nhận được áp lực xuống mức khoảng 0,1 kilopascal, tương đương với việc ai đó chạm nhẹ ngón tay vào một vật thể. Điểm kỳ diệu thực sự nằm ở chỗ các hệ thống này cung cấp phản hồi tức thì, làm cho chúng trở nên rất hữu ích trong các ứng dụng như chi giả—nơi người dùng cần biết được họ đang chạm vào cái gì—hoặc trong những cánh tay robot hiện đại dùng để phẫu thuật chính xác. Các nhà nghiên cứu khảo sát vật liệu vào năm 2021 đã phát hiện ra rằng các dây nano kẽm oxit bền hơn nhiều so với phần lớn các lựa chọn hiện có. Chúng vẫn hoạt động tốt ngay cả sau khi bị uốn cong hơn nửa triệu lần. Mức độ bền bỉ này mở ra nhiều khả năng ứng dụng trong y tế, từ theo dõi quá trình lành vết thương đến phát triển robot phản ứng tốt hơn trong các ca phẫu thuật phức tạp.
Các cảm biến sinh học áp điện sử dụng tính chất tạo ra điện tích có trong một số loại gốm nhất định để phát hiện các dấu ấn sinh học với độ nhạy cao gấp khoảng mười lần so với các cảm biến điện hóa thông thường hiện nay. Những thiết bị này hoạt động bằng cách phát hiện sự thay đổi tần số cộng hưởng khi các phân tử liên kết với nhau, cho phép các bác sĩ phát hiện sớm hơn nhiều so với trước đây các tình trạng như nhiễm trùng huyết hay ung thư di căn. Gần đây đã có một nghiên cứu rất quan trọng, trong đó các nhà nghiên cứu chứng minh rằng các cảm biến này thực sự có thể phát hiện protein troponin tim I ở mức thấp tới 0,01 nanogam mỗi mililít. Độ nhạy như vậy tạo nên sự khác biệt lớn trong việc phát hiện những cơn đau tim thầm lặng thường không được chú ý cho đến khi quá muộn.
Các bộ truyền động áp điện cho phép cung cấp thuốc chính xác cao thông qua:
Các thử nghiệm lâm sàng cho thấy bơm vi áp điện giảm 62% tác dụng phụ của thuốc điều trị Parkinson nhờ việc cung cấp liều lượng chính xác qua hàng rào máu-não.
Các loại gốm áp điện nano mới nhất đang phá vỡ những giới hạn cũ, nơi thiết bị nhỏ hơn đồng nghĩa với đầu ra công suất thấp hơn. Lấy ví dụ sợi nano PMN PT, những cấu trúc nhỏ bé này có thể đạt hiệu suất điện áp khoảng 85 phần trăm ngay cả khi chúng chỉ dày 500 nanomet. Và điều làm nên sự đặc biệt ở đây là chúng hầu như không lệch khỏi mức tín hiệu cơ sở, duy trì độ trôi dưới 0,1 phần trăm sau khi vận hành qua 10.000 chu kỳ. Điều này có ý nghĩa thực tiễn gì? Giờ đây chúng ta đã thấy các cảm biến cấy ghép có kích thước vừa trong một đồng xu thông thường nhưng lại có thể hoạt động tới năm năm liền chỉ với một lần sạc. Những cải tiến như vậy tạo nên sự khác biệt lớn đối với bệnh nhân cần theo dõi liên tục các tình trạng như tiểu đường hoặc bệnh tim mà không phải thay pin liên tục.
EN
