Table of Contents
تطور نظام التحكم في الأجهزة الطبية
وقد تم تحديد مسار تطوير الأجهزة الطبية من خلال دفعة لا تكل إلى زيادة القدرة في عوامل أصغر حجما، ولم يكن العامل المقيد، على مدى عقود، هو المفهوم العلاجي، بل إن الأجهزة اللازمة لتنفيذه، فصانعي الوتيرة المجهزة في مرحلة مبكرة، مثلا، قد يُمكن من استخدام مجموعات البطاريات والحوادث التي تستلزم وجود جيوب جراحية ضخمة تحت الجلد، وقد أدى تطور معدات التحكم إلى تغيير هذه المكافئة تماما.
وتشمل معدات المراقبة اليوم نظاما إيكولوجيا متطورا من المكونات التي تعمل معا من أجل الشعور بالظروف البيئية، وتجهيز البيانات في الوقت الحقيقي، وتنفيذ أوامر دقيقة بالاختراع، والتواصل اللاسلكي مع النظم الخارجية، ويجب أن تعمل هذه النظم بكفاءة شديدة في استخدام الطاقة، وموثوقية، وفي كثير من الأحيان في حدود هامش الأمان الصارم اللازم للتطبيقات المديمة للحياة، وبما أن الصناعة تدفع نحو قدرات علاجية أكثر تقدما مثل تسليم المخدرات عن طريق الغلق، والتحكم الني المستمر، والأخذ بالطرقة.
التكنولوجيات الأساسية التي تؤدي إلى التمكين من التعليم في مجال التعدين
النظم الميكانيكية الدقيقة
وتشكل النظم الميكانيكية الدقيقة تكنولوجيا أساسية لمعدات التحكم المصغرة، ويمكن لهذه المكونات الميكانيكية الصغيرة التي تدمج في رقائق السيليكون أن تشعر بالتسارع والضغط ودرجة الحرارة والتكوين الكيميائي، مع العمل أيضا كمواقد مصغرة، أما بالنسبة للأجهزة الطبية، فإن أجهزة القياس التسارع تستخدم في رصد النشاطات من أجل معالجة الاختراق، بينما تتيح أجهزة الاستشعار التي تستخدم في قياس ضغط الدم في الوقت الحقيقي.
المتحكمون في المشاريع الصغيرة والهيكلات الشبكية
وفي القاع الحاسبي لكل جهاز طبي مصغر تقريباً، توجد متحكمة صغيرة، حيث أن المراكب الصغرى الحديثة المصممة للتطبيقات الطبية تجمع بين وحدة معالجة مركزية ذات ذاكرة متكاملة، ومحولات مناظرة إلى أرقام، ووصلات مصغرة للبرمجيات، ووصلات اتصال بين أجهزة قراءة واحدة، وتحتوي على زيادة في عدد أجهزة التلقيح البرمجي التي تستخدم في عمليات التبريد، مما يقلل من الرؤوس الجانبية المؤمنة للاتصالات اللاسلكية.
شركة لوي باور للكهرباء وإدارة الطاقة
إن استهلاك الطاقة هو أكثر القيود أهمية بالنسبة للأجهزة الطبية المصغرة، إذ أن جهازاً يتطلب استبدال البطاريات أو إعادة شحنها يخسر الكثير من مقومات استخدامها في مجال الطب، وقد أدت التطورات الأخيرة في مجال استخدام الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة المنخفضة إلى تمديد العمر التشغيلي، وهذه التحسينات تأتي من اتجاهات متعددة: حزمة من المقاييس الأرضية الصغيرة التي تتحول إلى تغيرات، وتقنيات تحويل الطاقة المتقدمة التي تغلق الغالبية غير المستخدمة،
الإلكترونيات المرنة والثابتة
وقد فرضت أجهزة الدوائر المطبوعة الممزقة قيودا على الأماكن التي يمكن أن ترتدى فيها أو تزرع فيها الأجهزة الطبية، وقد غيرت هذه الأجهزة الإلكترونية المرنة بإتاحة أجهزة التحكم اللازمة للارتقاء بالأسطح المطاطية، وقد أدت هذه الأجهزة الفرعية للرفض البوليمر والبوليمر السائل إلى تمكين الدوائر التي يمكن أن تنحني أو تطويعها، بل وحتى أن تحافظ على استمرارية كهربائية، وهذا أمر له قيمة خاصة بالنسبة للأجهزة الصنعية التي يجب أن تحافظ على الاتصال بالجملة لأغراض الاستشعار
تكنولوجيات الاتصال اللاسلكية
ولا بد من وجود القدرة على نقل البيانات وتلقيها بلا هوادة من أجل الأجهزة الطبية الحديثة المصغرة، وقد أصبح استخدام الطاقة المنخفضة الزرقية بروتوكولاً مهيمناً للأجهزة القابلة للارتداء نظراً إلى الدعم الواسع النطاق الذي تقدمه في مجال أجهزة الإلكترونية الاستهلاكية وقابليتها للتأثر بكفاءة، إذ أن نطاق خدمات الاتصالات الطبية التي تستخدم في إطار الترددات المتوسطة يتراوح بين 402 و 405 ميغارتس يتيح اختراقاً أنسيجياً أفضل من بدائل أعلى درجة الحرارة.
مصادر الطاقة والطاقة البديلة
وتظل البطاريات أكثر مصادر الطاقة شيوعا، ولكن كثافة الطاقة المحدودة تفرض قيودا أساسية على حجم الأجهزة وطولها، وتوفر تكنولوجيات جمع الطاقة مسارا نحو أجهزة توليد الطاقة الذاتية أو ذات القدرة على العمل الطويل الأجل، وتحوّل المولدات الكهربائية الحرارية درجة الحرارة بين الجسم والبيئة إلى طاقة ميكانيكية، وتوفر مواهب مصغرة لتوليد الطاقة المستمر حسب نوع التدرج والمادية(100).
التطبيقات الرئيسية في الطب الحديث
أجهزة القلب
وتمثل إدارة القلب في مقدمة تكنولوجيا الأجهزة الطبية المصغرة لعدة عقود، وهي أجهزة حديثة لا تملك القدرة على التحكم في البطاريات، وهي أجهزة ذاتية الارتداد، وتتم في كل من مصفوفة القلب، وتزيل الحاجة إلى جيب ناقلات وقود متداخلة، وتشتمل هذه الأجهزة على البطارية، ومقياس للبطارات، ومقياس للتسارع، وجهاز للكشف عن الترددات، وأجهزة اللاسلكية.
المرصدات المستمرة ذات السعة
وقد شهدت الأجهزة القابلة للتأثر بالرصد الفيزيائي المستمر نمواً في المتفجرات، بسبب الطلب الاستهلاكي والحاجة السريرية إلى التشخيص المائي، ويجب أن تُعالج أجهزة التحكم في هذه الأجهزة مسارات متعددة من أجهزة الاستشعار في آن واحد: رسم الأشعة المحتوية على مقياس للضوء لمعدلات القلب والأكسجين الدمي، ومقياس التراكمي لتصنيف النشاط، ودرجة الحرارة، ومقاييس التبسيط الأحيائي التي تُستخدم في تحليل التكوين الجسم.
Insulin Delivery and closed-Loop Systems
أما بالنسبة للأشخاص المصابين بمرض السكري، فإن الجمع بين الرصد المستمر للغلوكوس والمضخات الانسولية قد أدى إلى تحويل إدارة الأمراض، ويجب أن تنفذ أجهزة التحكم في هذه النظم خوارزميات معقدة تفسر اتجاهات الجلوكوز وتضبط معدلات التخصيب في الأنسولين، كما أن أحدث نظم للأجهزة المحمولة، التي تسمى أحيانا أجهزة الصنابير الصناعية، تعمل بشكل مستقل للحفاظ على مستويات الاضطرابات في نطاق مستهدف.
الحيودية والوجه العصبي
وتحتاج الأجهزة التي تتفاعل مع النظام العصبي للأغراض العلاجية إلى أجهزة التحكم القادرة على توليد نبضات كهربائية موقوتة بدقة، وتستشعر النشاط العصبي ذات الحسم العالي، وتعالج الإشارات العصبية في الوقت الحقيقي، وتعالج عوامل التشويش الفيزيائي التي تُستخدم في إدارة الألم المزمن، وتُعدل المخاوف في اضطرابات الحركة، وتعتمد عوامل الحفز على جميع أنواع النسيجات التي تستخدم في نفس الوقت.
أجهزة التشخيص والإلغام
كما أن أجهزة التحكم المصغرة قد مكّنت أدوات تشخيص محمولة كانت تقتصر في السابق على أماكن المستشفى، حيث أن الأجهزة المحمولة التي تستخدم نفس تكنولوجيا الأشعة المتحركة، حيث أن النظم القائمة على رسم الخرائط الكاملة، والتي تنفذ في أجهزة قياس مواصفات دقيقة، والتي تكون في مقبض الاختبارات، والتي تُستخدم أجهزة التحلل الدمي للأشعة فوق البنفسجية، والتي تُستخدم فيها أجهزة الوصلات التشخيصية ذاتية التي تستخدم في أجهزة التكوين.
دور المواد المتقدمة
ولا توجد معدات التحكم بمعزل عن المواد التي تلخصها وتدعمها، كما أن التقدم في مواد التغليف كان مهماً تماماً مثل أوجه التقدم في تكنولوجيا شبه الموصلات لتمكين الأجهزة الطبية المخففة من حدتها، والمواد القابلة للاختراق والمتوافقة من قبيل البلازمين، والجهاز اللاسماني، ومجموعات المواد الخزفية تحمي أجهزة التحكم الحساسة من البيئة العدوانية للجسم دون إضافة مواهب متداخلة.
إدماج الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي
وقد بلغت عملية تقليل معدات التحكم إلى أدنى حد نقطة يمكن فيها إجراء استطلاعات للآلات مباشرة على الجهاز بدلا من أن تكون على جهاز اتصال ذكي أو خادم غيوم، وهذا النهج المحوسب يخفض من درجة الحرارة ويحسن الخصوصية عن طريق إبقاء البيانات المحلية للمرضى، ويلغي الحاجة إلى استمرار نقل أجهزة الاستخبارات اللاسلكية التي تستنفد حياة البطارية.
الاعتبارات التنظيمية والمتعلقة بالسلامة
فالابتكارات في مجال مراقبة الأجهزة الطبية تعمل في إطار تنظيمي صارم يعطي الأولوية لسلامة المرضى، إذ أن إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة، والوكالة الأوروبية للميدنيين، والهيئات التنظيمية الأخرى، تتطلب اختبارات واسعة النطاق لإثبات موثوقية معدات المراقبة والبرمجيات التي تعمل على ذلك، كما أن هذه الوسائل غير قابلة للتنبؤ، تشمل اختبارات سريعة للحياة في ظل ظروف بيزيولوجية محاكاة، واختبارا للتوافق الإلكتروني غير المأذون به.
التحديات والحدود
وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، لا تزال هناك تحديات كبيرة، إذ يمكن أن تصبح الكثافة الحرارية للأجهزة الإلكترونية المصغرة مشكلة في الأجهزة التي يمكن أن تكون مجهزة بها، حيث تُحدَّد طرق تذبذب الحرارة في الأنسجة المحيطة، ولا يُعتبر التبريد الفعلي خياراً، وبالتالي يجب على المصممين أن يُديروا بعناية ميزانيات الطاقة للحفاظ على درجات الحرارة السطحية في حدود آمنة، ولم تواكب تكنولوجيا البطارية التحسينات السريعة في النسيجات الإلكترونية، مما يعني أن الحجم الكلي للعديد من الأجهزة لا يزال ممسوّاً
التوقعات المستقبلية
ومن الواضح أن مسار أجهزة التحكم في الأجهزة الطبية المصغرة، وهي: أصغر، وأكثر قدرة، وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، وأكثر ذكاء، وهناك العديد من التكنولوجيات الناشئة التي تستعد لحمل الموجة التالية من الابتكار، حيث يمكن للدوائر المتكاملة الثلاثية الأبعاد التي تكوّن طبقات متعددة من المنطق والذاكرة الرأسية أن تزيد الكثافة الوظيفية بشكل كبير دون زيادة البصمة التواترية للجهاز.
فالتعاون بين مؤسسات شبه الموصلات ومصنعي الأجهزة الطبية ومؤسسات البحوث الأكاديمية سيكون أساسيا للتغلب على العقبات التقنية التي لا تزال قائمة، ومع تزايد العمر العالمي للسكان وانتشار الأمراض المزمنة، فإن الطلب على الأجهزة الطبية المصغرة التي يمكن أن توفر الرعاية المستمرة والشخصية في البيئات المنزلية بدلا من المستشفيات سيزداد فقط، كما أن ابتكارات أجهزة التحكم التي يرد وصفها هنا توفر الأساس التكنولوجي لتلبية الطلب.
For additional reading on current trends in medical tool miniaturization, the U.S. Food and Drug Administration] provides regulatory guidance and industry updates. Technical standards for implantable medical devices radios are available through the ] Telecommunication Union]. Research on advancedpackaging for Electric electronicFs is frequently published by [4]