The Evolving Landscape of Pacemaker Power Supply

وقد ظل صانعو السلام منذ وقت طويل حجر الزاوية في العلاج القلبي، واستعادة الإيقاع الطبيعي إلى ملايين المرضى في جميع أنحاء العالم، ويدفع أحدث جيل من الأجهزة الحدود مع القياس عن بعد اللاسلكي، وتصويب الصبر المغناطيسي، ويقلل من عوامل الشكل التي تؤدي إلى تحسين راحة المرضى ونوعية حياتهم، ومع ذلك فإن كل خطوة إلى الأمام تضاعف التحدي الهندسي الأساسي: كيفية تحقيق خلل في إدارة المواد الواعدة.

لماذا موثوقية الطاقة غير قابلة للتفاوض

وتتمثل المهمة الأساسية لصانعي الوتيرة في إيصال الطلقات الكهربائية التي تحافظ على معدل نبضات قلب كاف، ويمكن لأي انقطاع، حتى ولو لثواني قليلة، أن يتسبب في تزامن أو ازدراء أو اضطرابات في الحياة، وبالتالي فإن مصدر الطاقة يجب أن يوفر قدرا ثابتا من الفول واليارات على مدى عمر الجهاز، ويقاوم التقلبات الناجمة عن الحرارة أو تغيرات الحمولة، ويفشل في الازدراء )بوطية مع إجراء إنذار بالدم يمكن التنبؤ به(.

وتعالج الوكالات التنظيمية مثل إدارة الأغذية والمخدرات في الولايات المتحدة (FDA]) نظم الطاقة الناظمة للكهرباء باعتبارها أجهزة طبية من الدرجة الثالثة، مع إخضاعها لفحص دقيق قبل السوق والمراقبة اللاحقة للسوق، ويجب على المصنعين أن يثبتوا أن كيميائي البطاريات، وأجهزة الحماية، وأجهزة التحكم في الطاقة تستوفي معايير صارمة في الأداء والسلامة.

التحديات الرئيسية في إدارة السلطة لصانعي الجيل القادم

حياة البطارية وطول العمر

إن أكثر التحديات وضوحاً هي توسيع نطاق حياة البطاريات، وقد تحتاج الخلايا الحالية لليثيودين المستخدمة في أجهزة الوتر التقليدية عادةً إلى ٥-١٠ سنوات، وقد يحتاج المرضى الذين لديهم طلبات عالية السرعة )مثل أولئك الذين يعتمدون على الوتر( إلى استبدالها بصورة أكثر تواتراً، أما الجيل القادم من الأجهزة ذات السمات الأكثر تقدماً فيستهلك الطاقة أسرع مما يهدد بتقليص تلك الفترة.

ومما يزيد من تعقيد الوضع أن بطارية جهاز التسارع لا تُقيَّم أساساً بالقدرات وحدها، وأن الازدحام الداخلي للخلية يرتفع مع تصريف البطاريات، ويعتمد الأطباء على المتابعة الدورية لتقدير مدى الحياة المتبقية، كما أن الكيمياء من البطاريات العائمة مثل الفلوريد البيرفلوري لليثيوم أو أكسيد الكبريتيد الليثيوم - المسببة للتعقيدات في مجال الطاقة.

تقلص الحيز الجوي وضبط الفضاء

ويمثل صانعو الوتيرة غير الماهرين الذين يزرعون مباشرة داخل القلب خطوة رئيسية نحو الحد من التعقيدات الجراحية والوقت اللازم للتعافي، غير أن حجمهم يشكل جزءا من حجم جهاز كهرباء تقليدي، مما يترك مجالا أقل للبطارية، وينطبق نفس الاتجاه على الزرع التقليدي للحشرات التي تتحول إلى أصغر لأسباب كيميائية وراحة، مما يُشكِّل مصممي المصانع على استخدام البطاريات البديلة ذات القدرة المحدودة.

ويفرض الكيمياء الفيزيائية للبطاريات حدودا أساسية: إذ يمكن تحسين كثافة الطاقة دون أن يتم توسيعها بصيانة الأمان، وبالنسبة للأجهزة التي لا تملك الرصاص، قد يكون حجم البطاريات أقل من 0.5 سم3، مما يتطلب خلايا عالية القدرة ومتسامحة للحركة المستمرة والإجهاد الميكانيكي داخل القلب النابض، وهذا الجمع من القيود يجعل الإمداد بالطاقة واحدا من أكثر العناصر تحديا في صانعي الوتيرة الصغيرة.

الاتصال اللاسلكي ودرب القوة

وكثيراً ما تشمل أجهزة الوصل الحديثة أجهزة لاسلكية تعمل بالجهاز " بلوتون لوو " أو جهاز الاتصالات الطبية بالزراعة من أجل الرصد والبرمجة عن بعد، مما يتيح للمستوصفين التحقق من وضع الأجهزة، وتعديل بارامترات التباعد، وتلقي تنبيهات دون أن يطلب منهم زيارة عيادة، إلا أن تكلفة الطاقة تأتي في كثير من الأحيان، مما يؤدي إلى نقل البيانات إلى حد بعيد في فترات انقطاع البطاريات المنخفضة القدرة.

والتوازن بين الوصلة وحياة البطاريات هو مبادلات مستمرة في التصميم، ويمكن للمهندسين أن ينفذوا عملية التدوير، مما يحد من الوقت النشط للبث الإذاعي إلى فترات قصيرة، أو أن يضغطوا على البيانات لتقليل مدة الانتقال، وكبديل لذلك، يمكن برمجة الجهاز لنقل تنبيهات حرجة فقط، بينما يقوموا بتخزين البيانات الروتينية للاسترجاع أثناء الزيارات السريرية، ومع ذلك فإن أي استراتيجية من هذا القبيل قد يفتقد إلى الاضطرابات في استخدام الأجهزة.

Battery Chemistry and Environmental Sensitivity

الجسم البشري بيئة عدائية للبطارية، حيث إن درجة الحرارة مستقرة عادة عند حوالي 37 درجة مئوية، ولكن الحرارة المحلية من الاستجابات المسببة للتهاب أو المصادر الخارجية (مثل المسح المغناطيسي) يمكن أن تضغط على الزنزانة، وعلاوة على ذلك، يجب على مسرعي البطيارات أن يتحملوا عمليات التعقيم، وخطورة سوائل الجسم (وإن استخدمت الختم الرعي)، والصدمات الميكانيكية الناجمة عن النشاط اليومي.

وتتوفر الخلايا الحالية للهوائية - اليثيوم - موثوقية ممتازة ولفافة قابلة للتنبؤ بها، ولكن كثافة الطاقة فيها أقل من بعض الكيمياء البديلة، ويستكشف الباحثون بطاريات الليثيوم - الكبريت والولاية الصلبة، التي تعد بقدرة أعلى وبسلامة محسنة، ولكن هذه التكنولوجيات لم تحقق بعد سجل المسار الطويل الأجل المطلوب لأجهزة طبية غير قابلة للزراعة.

Power Management Electronics and Quiescent Current

وحتى عندما لا يتسارع أو يتواصل جهاز التحكم في الطاقة، فإن أجهزة التحكم في الميكروي، والذاكرة، ومضخات الاستشعار، والمفترقات المرجعية ترسم جميعها فترة خمسية صغيرة، وقد تصل هذه التصريفات الثابتة، على مدى سنوات من التشغيل، إلى جزء كبير من ميزانية الطاقة الإجمالية، وقد تصل أجهزة الجيل القادم التي تجهز الموجات المتقدمة، والمجسات المتعددة، وتستلزم المزيد من المقاييس الإلكترونية المتطورة.

ولذلك يجب أن يُفضّل المصممون كل مجهر، فالتقنيات مثل تشعُّب الطاقة (تحوّل من دوائر فرعية غير مستخدمة)، والارتقاء الديناميكي بالفولط، واستخدام مترجمين متنقلين فوق الصوتية، هي أمور أساسية، ومع ذلك فإن هذه الأساليب تزيد تعقيد تصميم الرقاقة وقد تتعارض مع الحاجة إلى الاستيقاظ الفوري أو الاستجابة في الوقت الحقيقي للأحداث المُحسَّنة.

الحلول الابتكارية والتوجيهات البحثية

تسخير الطاقة من حركة الجسم والهواء

ومن أكثر الحدود إثارة تحويل طاقة الجسم إلى طاقة كهربائية، بينما يمكن وضع مترجمات بيزويليكتري في البيركارديوم أو ملحقة ببطارية توليد فولت من انكماش القلب، مثلاً، وضع الباحثون في جامعة واشنطن نموذجاً يُمكن من توليد كهرباء من مولدات القلب ().

ويواجه جمع الطاقة تحديات تتعلق بالكفاءة والموثوقية والقابلية للمواءمة الأحيائية، حيث إن كمية الطاقة المتاحة من حركة الجسم أو الحرارة عادة ما تكون في نطاق عشرات من المايكرويات - ما يقل عن نبضات المباعدة بين المسافات (التي قد تتطلب عدة مليجولات لكل ضربة)، غير أنه بالنسبة للأجهزة التي لها فترات نشطة متقطعة، يمكن أن تتراكم الطاقة المحصولة في مركب خارجي أو بطارية قابلة للشحن.

Ultra — Low —Power Electronics

أما التقدم المحرز في تركيب شبه الموصلات - وخاصة الانتقال إلى عقد العمليات الأصغر )مثلاً، ٢٨ نانوغرام أو ٢٢ نانو متر( واستخدام تكنولوجيا السيلكون المستنفد بالكامل - ذات سرعة عالية - فقد قلصت بدرجة كبيرة من استهلاك الطاقة في الدوائر المتكاملة، ويمكن لهذه الرقائق أن تعمل في مجموعات فرعية من الصانعين، حيث تقل عتبة تجهيز الإمدادات

وثمة نهج آخر يتمثل في إدماج وظيفة تحديد فترات الانتقال مباشرة في جهاز الاستشعار أو رقاقة القياس عن بعد، وإزالة التسلسلات الزائدة عن الحاجة في الطاقة، وهذه الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات مصممة خصيصا لتلبية الاحتياجات الدقيقة لصانع الوتر، والتقليل إلى أدنى حد من النفقات العامة، وفي حين أن تكلفة التصميم مرتفعة، فإن الدفع في كفاءة الطاقة كبير بالنسبة لأجهزة الحجم.

مفاهيم البطارية القابلة للشحن والاستبدال

وعلى الرغم من أن معظم صانعي البطاريات يستخدمون اليوم البطاريات الأولية (غير القابلة للشحن)، فإن فكرة زرعها مرة أخرى يجري إعادة النظر فيها، إذ أن توجيه الشحن اللاسلكي، على غرار ما يستخدم في زرع الشلط أو أجهزة المساعدة الهضمية اليسرى، يمكن أن يتيح للمريض إعادة شحن صانعها أسبوعيا من خلال رصيف خارجي، مما يؤدي إلى إبطال مفعول الجهاز الخفي عن القدرة على البطارية، مما يتيح للمصممين استخدام وسائل إلكترونية متقدمة.

وثمة مفهوم آخر هو إجراء استبدال " البطاريات - المقطعية " حيث يتم فقط مسح وحدة البطاريات، مما يترك بقية الإلكترونيات والرسوم القائمة، وقد سبق لبعض المصنعين، مثل برنامج الميدترونيك، أن نفذوا هذا الهيكل في نماذج معينة، ولكن موثوقية الموصلات وخطر الإصابة لا تزال تثير القلق.

نقل الطاقة بدون سلك وربطها

وبالإضافة إلى توجيه رسوم، يقوم الباحثون باستكشاف التقلبات الكثيفة ونقل الطاقة في المناطق البعيدة المدى، ويستخدم الانقلاب الكهروديس الكهروديس على الجلد وداخل الجسم لنقل الطاقة من خلال النسيج عبر حقل كهربائي متناوب، ويمكن أن يحقق كفاءة أعلى في المسافات القصيرة، ولكنه يتطلب إدارة دقيقة لفرض حدود الأمان، ويمكن أن تصل في نهاية المطاف إلى تقنيات التعبئة الأكثر عمقاً، ولكن يمكن أن تُعاني من آثار منخفضة.

نظم إدارة البطاريات والأغوريسيات الافتراضية

ومن بين أجهزة الوصل الحديثة نظم إدارة البطاريات المتطورة التي ترصد الفولط والحالي ودرجات الحرارة والازدحام في الوقت الحقيقي، ويمكن للدائرة، من خلال تطبيق الخوارزميات، أن تقدر القدرة المتبقية على نحو أكثر دقة، وأن تكتشف علامات التحلل المبكر للزنزانات، وأن تكيف بارامترات التقلبات للحفاظ على الطاقة عندما تكون البطارية منخفضة، وعلى سبيل المثال، قد تقلل هذه الأداة من نماذج الوصلات المبطيئة أو إلى حد أقصى حد بعيد.

كما أن إدماج محللي البطاريات في الوقت الحقيقي يدعم الرصد عن بعد، وإذا كشفت دائرة إدارة المباني عن انخفاض غير عادي في القدرات، يمكن إرسال إنذار إلى الطبيب السريري، مما يتيح التخطيط الاستباقي الاستباقي والحد من خطر إجراءات الطوارئ.

الاتجاهات المستقبلية

التصميمات غير الرائدة والنموذجية

ويمثل جهاز الوترات غير المرخص تحولا في النموذج، مما يزيل الخيوط التي تشكل مصدرا مشتركا للإصابة والكسر، غير أن التحدي الذي يواجه الطاقة يضاعف لأن الجهاز بأكمله أصغر، وقد تعتمد التصميمات المستقبلية التي لا تقود إلى نظم الطاقة الموزعة: بطارية صغيرة للمباعدة السريعة ومصدر طاقة أكبر من بعد (مثل خلية لا تشحن ولاسلكية) تُنقل إلى وحدة الطاقة.

خلايا الوقود الأحيائي

وقد توفر خلايا الوقود الأحيائي الطويلة الأجل التي تجني الطاقة الكيميائية من الغلوكوس والأكسجين في الجسم مصدرا دائما للطاقة، وقد أظهرت النماذج الأولية المبكرة التي تستخدم الكهروود الكهرمائية التي تستخدم الأنزيمات، وجود كميات قليلة من الفولط والقوى البعيدة في نطاق المايكرويوت، وفي حين أن هذه الخلايا لا تزال بعيدة عن الاستخدام السريري، فإنها ستلغي الحاجة إلى البطاريات بالكامل، وتشمل التحديات الحفاظ على استقرار الطاقة الكنسية ومنع الإمكانات المتاحة.

البطاريات ذات الطابع الصلدي والإلكترونيات المرنة

في البطاريات ذات الصلصة، يستعاض عن السائل أو الهجل بالكهرباء مع وجود كثافة حرارية أو بوليمر صلبة، مما يتيح زيادة كثافة الطاقة، وتحسين السلامة (لا تسريب)، وعمر أطول دورة، وقد تسمح التطورات الأخيرة في البطاريات ذات الصلصة العالية الرش بالاختراق كصحائف مرنة يمكن أن تتوافق مع فضول الزرع، مما يتيح لمصممي البطاريات استخدام البطاريات بدلا من الحجم.

خاتمة

وتواجه إدارة إمدادات الطاقة في الجيل القادم من صانعي الوتيرة مشكلة هندسية متعددة الأوجه تمس علوم المواد، وتصميم الدوائر، وجني الطاقة، والسلامة السريرية، حيث أن الأجهزة تضيف القدرة اللاسلكية، وتوافق مفاعلات الريموت، والأحجام الأصغر، ستدفع بطارية الليز - ٢ التقليدية إلى حدودها، ومن حسن الحظ أن هناك مجموعة من الابتكارات - من محصولات البطاقات الصلبة -

External references:]