دور المترجمين في تطوير الجيل القادم من الأجهزة الصحية القابلة للزراعة

دور المترجمين في تطوير الجيل القادم من الأجهزة الصحية القابلة للزراعة

وقد تجاوزت الأجهزة الصحية القابلة للزراعة منابر بسيطة إلى منابر متطورة قادرة على رصد النشاط القلبي، ومستويات الأكسجين الدمي، وتركيزات الغلوكوز، وحتى الإشارات العصبية، وفي قلب هذا التحول، يكمن المتحول - وهو عنصر أساسي يحول الظواهر الفيزيولوجية إلى بيانات كهربائية قابلة للقياس، وبدون مترجمين ذو أداء عال، فإن أكثر أنواع المقاييس تقدماً وأجهزة تحليل السحب غير القابلة للتطور.

أساسيات التحويل في النظم القابلة للزراعة

Converting Biological Signals to Electrical Signals

كل إشارة بيولوجية، سواء كانت ضربة قلب أو إنكماش عضلي أو تغيير في كيمياء الدم، موجودة كحدث مادي أو كيميائي، يقوم المتحولون بدور الوصلة البينية التي تلتقط ذلك الحدث وتترجمه إلى فولت كهربائي، أو تغير في التيار أو الارتفاع، وفي الأجهزة القابلة للارتداء، يجب أن تحدث هذه العملية باستمرار، مع الحد الأدنى من استهلاك الطاقة، وفي إطار عامل لا يتدخل في نسبة المفاعلين في النشاط اليومي للمستعمل.

مبادئ التحول الرئيسية

4 مبادئ هي الغالبة على الاقتناء بالعلامات البيولوجية القابلة للزراعة:

• Piezoelectricity]: Mechanical deformation of certain materials (e.g., quartz, lead zirconate titanate) generates an electric charge. This effect is ideal for detecting pressure waves from arterial pulses or vibrations from heart voice.
• Optical coupling]: Light-emitting diodes and photodetectors work in tandem to measure changes in light absorption caused by blood volume changes or curriculum oxygenation. Photoplethysmography (PPG) and pulse oximetry rely on this mechanism.
• Electrochemical reactions]: ينتج الكهروود المشبع بالإنزيمات تياراً يتناسب مع تركيز محلل محدد، مثل الجلوكوز أو اللاكتات، وهذه ردود الفعل انتقائية للغاية ولكنها تتطلب رقابة دقيقة على درجة الحرارة والهكتار.
• ] Capacitive and resistive Sen]: Changes in capacitance or resistance caused by skin contact, deformation, or close are used for touch detection, gesture recognition, and breathe rate monitoring via thoracic impedance.

ولكل مبدأ مبادلات في الحساسية، والطلب على الطاقة، والحجم، والقابلية للتطابق البيولوجي، وكثيرا ما تجمع المواد الحديثة ذات الارتطام بين أساليب التحويل المتعددة في مجموعة واحدة لاستخلاص مجرى البيانات الفيزيولوجية التكميلية.

أنواع المترجمين وتطبيقاتهم في الأجهزة الحالية

Piezoelectric Transducers for Cardiac Monitoring

(أ) تُستخدم أجهزة مُنتجة كهربائية على نطاق واسع في أجهزة كشف نشاط القلب الميكانيكي، مثلاً، رقعة قابلة للارتداء تُسجل فيها أشعة السيزمو بالقلب، تستخدم فيلماً مُصففاً لقياس مدى ذبذبذبات الجدار الصدري التي تسببها انكماشات القلب، ويمكن لهذه المُترجمات أن تكتشف تغيرات طفيفة في حركة القلب التي لا تُعرف عن الكهرباءات.

مترجمون شفويون في مركب النبض وما بعده

وقد أصبح المترجمون الشفويون - وعلى وجه التحديد أجهزة الاستشعار الضوئية - أكثر طريقة رصد غير متفشية في المواصفات المرتدة بالبراعة، حيث إن مستشعرا نموذجيا لغاز التراكم الفائق يتألف من دواءين أو أكثر من أجهزة التشبع بالضوء (الخضرة والحمراء والأشعة تحت الحمراء) وجهاز تصويري، حيث أن النسيج القلبي يستهلك كمية من النسيجات الدقيقة.

وتسمح التطورات في تصميم المتحولين البصريين الآن بفصل صفائف متعددة الترددات التي يمكن أن تفصل بين متجانسات الأكسجين والهيدروجين المكسور مع الدقة العالية، كما بدأ صناع البرمجيات المرهقة في إدراج أجهزة متفجرة ذات الموجات القصيرة (مثل 1050 نانو متر) لتخريب طبقات أنسجة أعمق، مما يسمح برصد التهوية بل وتكيف الدم التفاؤل.

المترجمون الكيميائيون الكهربيون لرصد الغلوكوز المستمر

إن أجهزة رصد التضليل المستمر قد أحدثت ثورة في إدارة السكر من خلال توفير قراءات غلوكية حقيقية دون معايرة مقياس للمرض، وجهاز التلقيم المغناطيسي المتطور في جهاز الأشعة السينية هو جهاز استشعار الكهروكيميائي يستخدم طبقة من غاز الأوكسجين الحساس للغاية

(أ) استخدام أجهزة التصوير المغنطيسي الحديثة مثل مجموعة الديكسوم G7 وLebre 3، استخدام أجهزة تحويل ذات شكل من أشكال الألياف المرنة التي تُدرج في الأنسجة دون المدارية، وقد تحقق تقليل الخلية الكهروكيميائية إلى أدنى حد من خلال تقنيات الصنع المجهري وملفات البوليمر المتقدمة التي تقلل من الإلتهاب والتنشيط الأحيائي.

أجهزة استشعار قادرة وثباتية للنشاط والتنفس

وتشكل أجهزة الاستشعار الكهرمائية المكثفة أساساً لمقاييس التكتل الجاف والتبسيط الأحيائي، بخلاف الكهروديسات الرطبة التقليدية التي تعتمد على الجيل المسيّن، والمجسّسات القهرية، إلى جانب الجلد من خلال طبقة العزل، مما يجعلها مثالية للارتداء الطويل الأجل دون تهيج الجلد، وتكشف هذه أجهزة الاستشعار عن التغيرات في ميدان الكهرباء الناجمة عن تغيرات في تطهير القلب أو التنفس البخار.

وتُستخدم أجهزة الاستشعار الإجهادية المتردية، التي كثيرا ما تكون مصنوعة من النانووب الكربوني أو من مركب النانووي الفضي، في ملابس ذكية لتتبع الوضع والزاوية المشتركة ومعدل التنفس، وتُعدّ مجموعة واسعة النطاق حول الصدر تُغيّر المقاومة الكهربائية مع توسع الرئتين والعقد مثالا عمليا، بينما تُعدّ أقل شيوعا في الأجهزة المرتدة للصمود، فإن المتحولين المقاومين يكتسبون منا على رصد الصحة المتوافق مع المقاييس.

الاعتبارات التقنية للمنتجين ذوي الأداء العالي

معدل الوعي والإشارة إلى الأرقام

والمقياس الرئيسي لأي متحول في جهاز قابل للارتداء هو قدرته على حل الإشارة المرغوبة مع رفض الضوضاء، إذ أن الاحتمالات الحيوية مثل قياسات النبضات الأوروبية لا تتجاوز 0.5 إلى 5 ملليترات، وإشارة التصوير المقطعية التي تستخدم في غالب الأحيان تبلغ أقل من 1 في المائة من مجموع الضوء المعبر، ولا بد من تصميم أجهزة التثبيت ذات الأرقام المنخفضة في مجال الاستشعارات ودرجة الحرارة العالية.

التدريج والكفاءة في استخدام الطاقة

فالأجهزة القابلة للاشتعال مقيدة بالحجم والوزن وحياة البطاريات، ويجب أن تكون أجهزة التحويل صغيرة الصنع باستخدام نظام الرصد المتعدد الوسائط (النظم الميكانيكية المتوسطة) بحيث تدمج في مجموعات من أجهزة قياس متعددة الطوابق، مثلا، فإن وحدة الاستشعار الحديثة لأجهزة الاستشعار بين أجهزة التلقيم والبطارية لا تشغل إلا أقل من 3 ملم و 3 مم، وتستهلك تحت 1 ميغاواط عندما يتم تشغيلها بمعدل عينة من 50 جهازا من أجهزة التحكم

التوافق البيولوجي والقابلية للاستمرار

المتحولون الذين يتم اقامتهم على اتصال مباشر مع الجلد أو زرعهم في الجسم يجب أن يستوفوا معايير صارمة للتوافق البيولوجي، مواد مثل الهيلكونات الطبية، وأجهزة الطلاء بالبرلين، والذهب أو الكهروديس البلاستيكية تستخدم عادة لمنع ردود الفعل الحساسية، والتآكل، وزراعة البروتين، وأجهزة التعرض الطويل الأجل، وقابلية الارتداد الميكانيكي، مقاومة للانحراف

المواد والتكنولوجيات الناشئة

الإلكترونيات المرنة والثابتة

(أ) إن مترجمات السليكون الخاملة غير مناسبة بشكل جيد للأنسجة البيولوجية المكشوفة، وقد أدى انفجار بحث في أجهزة إلكترونية مرنة وممتدة إلى مترجمات يمكن أن تنحني وتلتف وتمتد دون فقدان الأداء، ومن الأمثلة على ذلك أجهزة النانوية المثبتة بالثديين (PDMS) (Plydimethylsiloxane) لرصد الأشعة الذاتية

نانوماريال - إنجلتراليس

وتعطي النانووبات الكربونية والغرافينية والنانويات المعدنية خصائص كهربائية وميكانيكية استثنائية يمكن أن تعزز بشكل كبير حساسية المتحولين، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تحقق مقياساً متداخلاً مع شبكات النانوير الفضية عاملاً في قياس أكثر من 100 - طلبان من الحجم أعلى من قياسات الرغاوي المعدنية التقليدية - مما يتيح الكشف عن تحركات التنفس التبعية أو موجات التراكمية.

التكامل المتعدد الوسائط

أما الحدود التالية في مترجمين قابلين للذوبان فهي إدماج طرائق الاستشعار المتعددة في مجموعة من رقائق واحدة أو من القذارة الرقيقة، مثلا، فإن جهازا مجتمعا من أجهزة الاستشعار من نوع E-G-PG على أساس معدل منخفض يمكن أن يلتقط في الوقت نفسه نشاطا كهربائيا وميكانيكيا في القلب، مما يتيح إمكانية الحصول على الوقت اللازم للوصول إلى الغلاف الجوي دون أن يتطلب إشارة منفصلة.

الاتجاهات المستقبلية في مجال تكنولوجيا الصحة القابلة للزراعة

الرصد المستمر المتعدد المستويات

الهدف النهائي للأجهزة الصحية القابلة للارتداء هو توفير صورة شاملة مستمرة لفيزيولوجيا الفرد ليس فقط طلقات من بضعة مقاييس، صفائف الموصلات قادرة على تسجيل نفسها في آن واحد، ضغط الدم (عن طريق وقت عبور النبض)، درجة حرارة الجسم، التنفس، الأوكسجين الدموي، الغلوكوس، وحتى مستويات الارتباط المتطورة تسمح باكتشافها

نظم مغلقة وطب شخصي

والمترجمون ذو المواصفات العالية هم العمود الفقري الحسي للنظم العلاجية المغلقة، والأبرز مثال على ذلك هو مضخة الإنسولين المغلق المهتزة التي تستخدم مترجماً متطوراً تابعاً لرصد الغلوكوز لتكييف تسليم الأنسولين تلقائياً، كما أن النظم المستقبلية ستوسع هذا المفهوم ليشمل ظروفاً أخرى: رقعة ذكية تتحول إلى تذبذبذب وتضع علامات على الأشعة المبكية المبكرة.

التحديات التنظيمية والمتعلقة بالبيانات

ونظراً لأن المترجمين الذين يمكن ارتداؤهم يحققون أداء الصف السريري، فإنهم يواجهون تدقيقاً تنظيمياً متزايداً، ففي الولايات المتحدة، أصدرت هيئة الأغذية والدوائر مبادئ توجيهية بشأن الأجهزة الطبية اللاسلكية التي تشمل متطلبات دقة الإرسال عبر نطاق القياس بأكمله، والتي تصادق عليها الدراسات السريرية، فعلى سبيل المثال، يجب أن تثبت أجهزة نقل النبضات صحة الوصلات بينية وجود 2 في المائة من السائل السحابي عند قياسات الشريانية.

خاتمة

فالمترجمون هم الميسرون غير المتجانسين للثورة الصحية القابلة للزراعة، إذ إن تقدم تكنولوجيا التحول سيحدد بشكل مباشر ما يمكن رصده من أحداث فيزيائية وما إلى ذلك من موثوقية، ويدفعون في الوقت نفسه إلى تحقيق التقارب بين الوسائل الإلكترونية المتعددة الأبعاد، والدمج الهندسي المستمر في التكنولوجيا، والكفاءة في مجال الأمراض المنقولة، ويحدّدون مباشرة ما يمكن رصده من الأحداث الفيزيولوجية وما هو موثوق به.