تأثير علوم المواد على تطوير أجهزة مقارنتها

مقدمة: تقاطع علوم المواد وتكنولوجيات التصوير بالرنين المغناطيسي

إن التصوير بالرنين المغناطيسي هو أحد أقوى أدوات التشخيص في الطب الحديث، حيث يوفر صوراً عالية الاستبانة وغير متفشية للأنسجة اللينة والأجهزة والجهاز العصبي المركزي، ومع ذلك فإن الفيزياء الشديدة التي تجعل من الرنين المغناطيسي حقولاً مغناطيسية شديدة الخطورة، وتتحول بسرعة إلى أصناف من التخدير، وتفرض أيضاً قيوداً على التردد الإشعاعي

فيزياء التصوير بالرنين المغناطيسي: لماذا لا يكون اختيار المواد اختيارياً ولا بسيطاً

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يقدر المرء البيئة الكهرومغناطيسية التي تُستخدم داخل جهاز مسح بالرنين المغناطيسي، والميدان المغناطيسي الرئيسي الذي يتراوح بين 1.5 و3 تيسلا (وحتى 7 تيسلا في نظم البحوث) هو أكثر من الأرض المغنطيسي، أي شيء خبيث مثل الحديد أو النيكل أو الكوبالت

ولذلك، يجب أن تستوفي المواد القابلة للمقارنة بالأشعة المقطعية في آن واحد ثلاثة معايير: (أ) أن تكون غير مغناطيسية (يُفضل أن تكون قابلة للتأثر بالقرب من الأنسجة البشرية) -11 إلى -9 جزء من المليون)، (ب) وأن تكون ذات قدرة منخفضة على السلوك الكهربائي للتقليل إلى أدنى حد من تيارات الدودي وتدفئة الترددات، (ج) أن تكون غير صالحة للاستخدام الطبي الأحيائي.

المواد العلمية: مجموعة من المرشحين غير المغنطيسية

وقد عالج علماء المواد بصورة منهجية كل قيد، ونموا أسرا من المواد التي تكون آمنة ووظيفية ومتوافقة مع الصور، وفيما يلي ندرس أهم الفئات.

Polymers and Plastics

فالتوترات التي تصيب البوليميرات غير المغنطة والتراكم الكهربائي يمكن أن تصاغ بقابلية للتأثر بالقرب من الأنسجة، كما أن البنى المتعددة الأطراف التي تستخدم في الطب هي أكثر من غير المغنطيسيات، وهي أجهزة متعددة المبيدات التي لا يمكن استخدامها إلا في شكل وحدات متعددة المبيدات، وهي تمثل تعزيزات للعضلات العمودية إلى لوحات البلاستيكية.

السيراميك

كما أن السيراميات المتقدمة، بما فيها الألومينا والزركونيا والنيتريد السيليكوني، هي فئة أخرى من المواد القابلة للمقارنة بالأشعة المقطعية، وهي مواد غير مغنطيسية ومزدحمة كهربائياً، ومصممة بشدة ومقاومة للارتطام، كما أن الرؤوس الفخذية في شكل هرم في جميع الرؤوس قد استخدمت بنجاح في بيئات الرنين المغناطيسي، كما أن المزخرفات المشعّبة هي الآن شائعة.

Carbon Fiber Composites

ربما لم يُحدث أي ابتكار واحد في مجال صناعة الأجهزة القابلة للاختراق أكثر من البوليمر المُعزز من الألياف الكربونية، و الألياف الكربونية نفسها هي أداة مُتَسَرة، و لكن عندما تُدمج في مصفوفة متعددة ذات توجه محدد وصبغة ألياف، يمكن جعل الكوكب غير مُغنٍ، والأمر الحاسم، مع وجودة مُثلة للأشعة.

وقد أظهرت دراسة أجريت في عام 2021 في مجلة التصوير المغنطيكي للدماغ أن الإبر التي تنتج ألياف الكربون تُنتج مصنوعات أثرية تقل بنسبة 60 في المائة عن الإبرات الموحدة للكوبالت - الكروم، بينما تقل أيضاً درجة التدفئة تحت التصوير ثلاثي الأطراف، وعلى الرغم من هذه المزايا، يجب أن يُحمى الألياف الكربونية بعناية في نهاياتها لمنع آثار الهوائيات، ولا تزال تكلفة تصنيعها أعلى من مكافئات الصلبة.

المعادن والخطوط غير المغنطيسية

وتحتاج بعض التطبيقات إلى سمات معدنية، أو إلى سمية كهربائية لنقل الإشارات، أو إلى قوة عالية في أجزاء رقيقة، وفي هذه الحالات، اختار علماء المواد أو طوروا سبائك ذات قدرة مغناطيسية منخفضة جداً، وتيتانيوم وسماحها (Ti-6Al-4V) هي أكثر أنواع التصميمات استخداماً للتصوير بالرنين المغناطيسي المقارن؛ وتيتانيوم هو الشاذع الذي يمكن أن يُعرف به

المواد المركبة والمهجنة

ويتزايد عدد الأجهزة القابلة للمقارنة بين المواد المتعددة لاستغلال نقاط القوة في كل منها، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم الرصاص في المحاكاة العمودية جسماً من أجهزة PEK مع كهرباء من الطراز الأول في البوليسترات الخزفية، بينما يتكون الباحثون في جامعة كاليفورنيا، سان فرانسيسكو، من تركيبة من ألياف الكربون ومركبة من نوع " بيك " تضاهيج العظام.

سلاسل الأجهزة القابلة للتداول والقابلية للتداول والقابلية للتداول

Implants and Prostheses

(أ) الاختراعات الميكانيكية، والزهور في الأسنان، والمواقد الوعائية، والأجهزة القلبية مثل الوصلات الوبائية والمشروبات، تتطلب توافقاً في الرنين المغناطيسي للمرضى الذين يحتاجون إلى تصوير متابع، ومن الناحية التاريخية، يعتبر العديد من الوصلات متعارضة مع الرنين المغناطيسي.

أجهزة الرصد وإنقاذ الحياة

أما رصد المرضى أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي، مثل أورام الأشعة النبضية، وسلاسل ضغط الدم، ودلائل التراكم، وأجهزة الاستشعار الحرارية التي لا تسخن أو تشوه الصورة، فعلم المواد يُعطي أجهزة استشعار للخياط، وأجهزة التليف البلاستيكية التي تستخدمها أجهزة التليف البلاستيكية التي تستخدمها أجهزة التليف البلاستيكية غير الموصلة تماماً والتي يتم اختيارها.

الأدوات الجراحية ونظم البيولوجيا

إنّها تُستخدم في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، أو في حقن أو في التزييفات تحت أدوات التصوير المغناطيسي في الوقت الحقيقي، والتي لا تُخلق خامات ضارة، وعلماء المواد طوروا إبرات التيتانيوم والكربون ذات العلامات البصرية التي تظهر كبؤر مشرقة على المسح الضوئي.

أجهزة استقبال ومرضى

وحتى المواد البسيطة مثل سماعات الرأس، والنظارات، وأجهزة تحديد المواقع يجب أن تكون قابلة للمقارنة بين أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، وتحتاج الهواتف المستخدمة في الدراسات المغناطيسية المغناطيسية إلى سائقين غير مغنطيسيين، ويستخدم الباحثون البوليفات الخلوي البوليفات بدلا من أجهزة الصوت التقليدية، وتخفض كاميرات التتبع الخاصة بجهاز التصوير المزود بالأشعة فوق البنفسجية المصممة بشكل شائع أكياس الخلوية.

التحديات والمخاطر والحاجة إلى الاختبارات الروائية

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، لا تزال تطوير أجهزة متوافقة مع المبادرة محفوفة بالتحديات، ولا توجد مواد متوافقة تماماً، ولا بد من المفاضلة.

التدفئة و "الآتينا"

وحتى الموصلات غير المغنطيسية يمكن أن تعمل كحيوانات، وتركيز الطاقة في إطار الترددات، وتسبب ارتفاع درجة الحرارة المحلية، وهذا خطر بالغ الأهمية بالنسبة للأسلاك الفلزية الطويلة والرقيقة (مثلاً، أسلاك الدلائل، وخطوط المباعدة) وتُعرِّف معايير مثل نظام ASTM F2182 و ISO/TS 10974 أساليب الاختبار للتدفئة في الترددات.

Image Artifacts and Susceptibility Mismatch

وتبدو العلامات المؤثرة على الأشعة أكثر الشكاوى شيوعاً، بل إن المواد مثل التيتانيوم يمكن أن تسبب تسرباً للإشارة المحلية إذا كان المقياس الجيولوجي المزروع كبير، وقد أظهرت دراسة أجراها شركة Hargreaves وآخرون (2011) أن الوركسجين التي صنعت من الكوبل - كروميوم تنتج تحفاً حاداً، بينما ينتج علماء متعددو المواد مادة متماثلة بين البارود والماء والماء.

مقايضة الميكانيكية والقابلية للاستمرار

فبدائل غير مغناطيسية غالبا ما تكون لها قوة أو شدة أو حياة بدينية أقل من نظيراتها في مجال الأسمدة، بينما تكون قوية، يمكن أن تزيل تحت الحمل الزراعي إن لم تعالج معالجة سليمة، فالأهراميات صعبة ولكن مُتبلة، فالبُعدات التي تزحف تحت الحمولة الدائمة، ويجب على المهندسين أن يصمموا بهذه القيود في العقل، وكثيرا ما يستخدمون أفران سميكة أو يضيفون أض.

المعايير التنظيمية ومعايير الاختبار

وتحتاج الهيئة والهيئات الدولية إلى اختبارات واسعة النطاق لأي جهاز يزعم توافق الرنين المغناطيسي، ويقيّد معيار التفاعلات الميدانية المغناطيسية (ASTM F2052) الجذب والتبريد الترجمين، ويستخدم معيار التدفئة (ASTM F2182) اختباراً للثبات ودرجات الحرارة، ويُعتبر الوصف المادي الخطوة الأولى فقط، ويُعتبر اختبار التدرج الكامل إلزامياً، مما يضيف تكلفة وزمان إلى التنمية، ولكنه يكفل سلامة المرضى.

آخر المنجزات والتوجيهات المستقبلية

وتتقدم العلوم المادية للأجهزة المتوافقة مع المبادرة بسرعة، مدفوعة بطلبات رنين مدمج أعلى (7T وما بعده) وتطبيقات سريرية جديدة.

المواد القابلة للتحلل البيولوجي

ويقوم الباحثون بتطوير الزرع المؤقت الذي يذوب بعد أن يخدموا أغراضهم، على سبيل المثال، المواقد الوعائية التي توفر الدعم الميكانيكي لعدة أشهر ثم إعادة الإمداد، وتتجنب المضاعفات المزمنة، ويجب أن تكون هذه الأجهزة قابلة للتعديل قبل التدهور وأثناءه، كما أن المحار التي تستخدمها المغنزيوم (مثلاً، وسامات الجيل الرابع والأربعين) واعدة لأنها غير متجانسة (السببة للإصابة بالارتداد)

الإلكترونيات المرنة والثابتة

إن ارتفاع الأجهزة القابلة للاختبارات المتعددة الأطراف القابلة للارتداء، مثل الشق الذكية لرصد الأطفال، يتطلب مواد غير قابلة للأكل، وممتدة وغير قابلة للاختراع، فلزات من نوع غالويوم (البوليلومتر السائل المميت) التي تُدرج في النسيج السائري في النسيجات السليكية، يمكن أن تخلق مقاومات ومجسسات قابلة للتطاير، غير متجانسة.

التصميم المتعمد للمواد

يمكن تطبيق التعلم الماكنة على تصميم مواد معدة ذات قابلية التعرّض المغناطيسي وممتلكات ميكانيكية محددة الهدف، بدلاً من الاختبارات والحرق، يمكن للخوارزميات التنبؤ بأداء المخلوط المركبة والتوصية بالنسب الأمثل للملئ البوليمر، والملئ السيرامي، وتعزيز الألياف، وقد ينتج هذا النهج بالفعل متغيراً في البوليستري في المستقبل، ويزيل التوائم من الماء تقريباً.

المواد الذكية والأجهزة الاستجابة

ويستخدم مثقفات الذاكرة الشاسعة التي تتغير في درجة حرارة الجسم في محركات متزامنة من أجل تسليم المخدرات والخزعة، وعلى سبيل المثال، يمكن تصميم مشبك النيتينول (محل الذاكرة) لإغلاق سفينة بعد أخذ خزعة، كما أن حجمه الصغير ينتج مادة أثرية لا تُذكر، وبالمثل، فإن المواد المغنطسية (التي تسخن عند الجمع بين الفائقة) تُعتبر مُعدَّةً.

خاتمة

ولا يمكن الإفراط في تقدير تأثير العلوم المادية على تطوير الأجهزة القابلة للمقارنة بالأشعة المقطعية، وما كان عليه الحال في منطقة حظر الاستعمال للالكترونيات والزرع الفلزي هو الآن مجال حيوي للابتكار، وذلك بفضل السبيكات غير المغنطية، والبوليمرات المتقدمة، والألياف الكربونية المركبة، والخزفيات، وكل فئة من المواد المادية لها قوة وقيود، وكثيرا ما تجمع أفضل المواد في وسائل ذكية.

علم الماجستير هو الشريك الصامت في كل فحص بالرنين المغناطيسي بدونه العديد من الزرع والأدوات التي نستخدمها ستكون إما خطرة أو مستحيلة