האתגרים של פיתוח פייסרס לשימוש בחלל הסביבה הקיצונית

קידום הבלתי ייאמן: הנדסהפייסmakers עבור חלל וסביבתה קיצונית

פייסmakers שינה את ניהול של בעיות לב, המציע מיליוני חולים איכות חיים משוחזרת.אבל המכשיר הסטנדרטי מושתל עומד בפני קבוצה שונה לחלוטין של דרישות כאשר פרוס מעבר לגבולות החצוצרה של בית חולים ארצי.אם על חללית, בתחתית של תעלה אוקיאנוס, או על גבי הר רוחב גבוה, הקצב הצנוע חייב לעמוד בתנאים כי הוא לפתח כל אימפולסיבי של מערכת חשמלאי.

מאמר זה חוקר את המכשולים הייחודיים בהם נתקלו בעת תכנון קוצרים למרחב ולסביבות קיצוניות, פרוטוקולי בדיקה קפדניים המאמתים את הביצועים שלהם, ואת החידושים המתעוררים המבטיחים להרחיב את גבולות הטיפול הלב מעבר לכדור הארץ.

הספקטרום של התחזיות הסביבתיות

פייסmakers המיועד לשימוש בסביבות קיצוניות חייב לשרוד מתחים המשלבים ולהגדיל אחד את השני. חללית במסלול כדור הארץ נמוך, למשל, חוויות ריק אינטנסיבי ורכיבה תרמית מהירה. A ים תת-קרקעית הציגה לחץ הידרוסטטי מרסק. מנוף גבוה של תחנת אקלים אלקטרוניקה לחמצן נמוך, חום קיצוני, וקרינה אולטרה סגולה גבוהה.

השפעות קרינה ואפקטים חד-פעמיים

מעבר לשמיכה המגינה של האווירה והשדה המגנטי של כדור הארץ, קרינה מייננת הופכת לדאגה דומיננטית. קרניים קוסמיות גלקטיות, אירועי חלקיקים סולאריים וחגורת קרינה לכודה (כגון חגורה ואן אלן) מפצפים רכיבים אלקטרוניים עם פרוטונים באנרגיה גבוהה, אלקטרונים וצלים כבדים.חלקיקים אלה יכולים לגרום לשקדה של בעיות:

• (ב) ⁇ :0 (SEUs): שביתה חד חלקיק יכול להפוך זיכרון קטן במיקרובקר של קוצ'ר, המוביל לתזמון לא נכון או לקביעת הרתעה לא נכונה.
• (ב) ⁇ :0) ,0 (Latch-upmia: 1) פיזור אנרגיה גבוה יותר יכול לגרום לנתיב מטאטא טפילי במעגלי CMOS, מה שגורם להתפרצות פתאומית בהווה שעלול להרוס את המכשיר אם לא נצמצם.
• (FLT:0) Total Ionizing Dose (TID) Effectss:FLT 1:1 חשיפה מפולגת מדגמת חומרים מוליכים למחצה, שינוי מתחי סף וזרםי דליפות מוגברת.מעל משימה רב שנתית מאדים, TID יכול לעלות על כמה מאות קילוונים, הרבה מעבר לסובלנות של אלקטרוניקה מסחרית-off-the-lf.
• נזקי החלפת:0 (FLT:1ir) ו protons יכולים לדפוק פיזית אטומים מתוך המבצר, להפחית את יעילות ההעברה של המטען בחיישנים ולהפחית את ביצועי הסוללה.

מעצבי פייסצב מעסיקים שילוב של רכיבים מקרינה, קודים לתיקון שגיאות, לוגיקה מאוזנת, ומגן עסיסי.עם זאת, הגנה מוסיפה משקל - פרמיה בכל משימה בחלל - ויש לאוזן בזהירות נגד תקציב המסה הכולל של המכשיר.

טמפרטורה קיצונית ו-Thermal Cycling

קוצב בחלל עשוי לעבור מאור השמש הישיר של +125 מעלות צלזיוס לקור העמוק של -150 מעלות צלזיוס כמו החללית נעה לתוך ליקוי. על פני כדור הארץ, מכשיר שנשא על ידי הרה על אוורסט לסבול תנודות דיוורליות הרבה מתחת -40 מעלות צלזיוס. קיצוניות אלה משפיעים לא רק על הכימיה הסוללה אלא גם על השלמות המכנית של חותם, מפרקים מוכרים, ודיור.

Lithium-ion ו סוללות מונופלוריד פחמן - את הוורונים של שתלים מודרניים - ניסיון מופחת יכולת ותפוקה כוח בטמפרטורות נמוכות. בטמפרטורות גבוהות, התנגדות פנימית עולה ושיעורי ההשפלה להאיץ.ההתרחבות והמחזורים התכווצות יכולים ליצור מיקרו-קracks בלוחות מעגלים או להתפשר על החותם ההרמטי המבודד את האלקטרוניקה מנוזלים מתקדמים, כמו מאות חומרים תרמיים על ידי קרמיקה, כמו גם על מנת לשמור על סוללות קרמיקה, כגון, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 קרמיקה, 000, 000, 000, 000, 000 קרמיקה, 000, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 שנועדומים שנועדודות, 000, 000, 000 קרמיקה, או קרמיקה, 000 קרמיקה, או קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, 000, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, או מחסנים, 000 מחסנים, או קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 מחסנים, 000 קרמיקה, או קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 מחסנים, 000 קרמיקה, 000 מחסנים, 000 מחסנים, או קרמיקה,

השפעות לחץ ואפקטים חלקית

בוואקום של החלל, לצאת מפולימרים, דבקים, ו lubricants יכולים להפקיד contaminants על אופטיקה רגישה או מגעים חשמליים. יותר ביקורתיים, לחץ נמוך להפחית את המתח השבר של האוויר, להגדיל את הסיכון של פריצה או קשת בין רכיבים גבוהים - מצב קטסטרופלי עבור פלטת קצב.

לחץ הידרוסטטי (Deep-Sea Environments)

עבור יישומים תת-ימיים כגון פלטפורמות בטיחות או מחקר diver, קוצרים צריכים לעמוד בלחץ של יותר מ-1,000 אטמוספירה (10,000 מטרים עומק) המקרה טיטניום חייב לעמוד בפני קריסת, ואת ההזנה חייבת להחזיק בלחץ תוך שמירה על בידוד חשמלי.בדיקה כוללת תאים לחץ הידרוסטטיים המעגלים את המכשיר כדי לדמות ירידה ועלייה, לבדוק עבור דליפות ומשכיות חשמל.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

שיגור כלי רכב נושא תשלום לתנודות אקראית אינטנסיבית, רעש אקוסטי והאצה עולה עד 6 גרם או יותר. אירועים הלם Pyrotechnic במהלך שלב הפרדה יכול לייצר דחפים ⁇ גבוה מעל 10,000 g. A קוצב הקשרים הפנימיים של קוצב - אג"ח אלחוטי, מלקטים מוכרים, ומחברים - אסור שבר או detach. מעצבי משתמשים ניתוח סופי כדי לזהות תדרים מרגיעים ולהוסיף חומרים לחבקים או לאבטחה.

עיצוב טכני ועיצוב Hurdles

מעבר לחוססן סביבתי, קובעי קצבי שימור קיצוני חייבים לספק את אותן דרישות הליבה כמו מכשירים ארציים: תזמון מדויק, צריכת חשמל נמוכה, גודל קטן, ו ביו-זמינות.השגת כל אלה תוך הוספת מערכות מחוסמות קרינה, מחוספסות, ואריזות מחוספסות דוחפות את הגבולות של הטכנולוגיה הנוכחית.

בדידות לעומת Redundancy

קוצני קצבים לא מותאמים כבר בין המכשירים הרפואיים המיניים ביותר.הוספת מעבדים אדומים, בנקים זיכרון, או מעגלים צנרת גיבוי מגבירים את נפח ואת המסה. מהנדסים חייבים להחליט אילו תת-מערכות הן קריטיות מספיק כדי לשכפל.בעיצובים מקודמים בחלל, יחידת הבקרה הפצירה היא לעתים קרובות משולשת מודולים מודולים חד-ממדיים (שלושה בלוקים לוגיים זהים, עם רוב הצבעה), תוך שימוש בשגיאות תיקון (C) במקום זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, אך ורקמות (C) שומר על אמינות מלאה.

כוח אספקה ואנרגיה

חיי סוללה הם דאגה רבת-שנתית.ב קוצני-ארציים, תאי ליתיום-יודין (Lthium-iodine) בחמש-12 שנים האחרונות.עבור משימה עמוקה בחלל לאורך עשור או יותר, ייתכן שחוקרים אינם מספיקים.

• (FLT:0) סוללות ננוקלאר (Gerners thermoelectric גנרטורים רדיואיזוטופים, RTGs): ibph:1 באמצעות דעיכה של פלוטוניום-238 או americium-241 כדי לייצר חשמל.בעוד זמן רב להפליא, RTGs הם כבדים, לייצר חום, ודורשים אישורי בטיחות מחמירים.
• (FLT:0)Betavoltaics:FLT:1 Semiconductor מכשירים להמיר קרינת בטא מ tritium או promethium לתוך זרם חשמלי.אלה קלים יותר מ RTGs אבל כיום לייצר כוח נמוך מאוד - מספיק עבור חיישן מחזור נמוך אבל לא עבור הדופק.
• (FLT:0) העברת כוח ללא תשלום: הפיכה אינדוקטיבית או אולטרסאונד יכול לטעון סוללה פנימית קטנה מ משדר חיצוני שטבעו על ידי האסטרונאוט או הדיבר.זה מסיר את הצורך בתא ראשוני גדול, אך מציג את המורכבות של שמירה ויעילות בסביבות דינמיות.
• (FLT:0) קינטי או תרמי קציר: FIRLT:1 (שימוש בתנועה הגוף או ⁇ טמפרטורה כדי להטעין את capacitor. צפיפות האנרגיה היא נמוכה מאוד, אבל עבור גיבוי או כוח משלים זה יכול להיות יקר.

תקשורת ואינטגרליות נתונים

קישורים טלמטארי מאפשרים לרופאים לפקח על מצב הקצב, להתאים פרמטרים, ולהוריד יומני אירועים. בחלל, מרחקים ארוכים ורעש אלקטרומגנטי גבוה ממערכות לוח אתגר רדיו תדירות (RF) תקשורת. טלמטורי אינדוקטיבי (near-field) מוגבל למספר ס"מ לסירוגין; RF רחוק חייב להתחרות עם הפרעה ועשוי לדרוש אנטנה לכיוון.

זמינות ביולוגית והישרדות ארוכת טווח

אפילו בסביבה קיצונית, המכשיר חייב להישאר תואם רקמות האדם. המקרה טיטניום, ראשי גומי סיליקון, ו אלקטרודות מזהמים הם מוכחים היטב על פני כדור הארץ.עם זאת, קרינה יכולה לזלזל פולימרים, מה שגורם להם להיות מתפתל או לטבול תרכובות מזיקות. Accelerated בדיקות ההזדקנות תחת קרינה משולבת, טמפרטורה ולחות הם חיוניים כדי לוודא כי הציפוי הביולוגי של המכשיר לא יכשל במהלך המשימה.

בדיקה, Qualification והסמכת

קוצב לשימוש ארצי עובר סוללה של בדיקות תחת ISO 14708 ו- FDA הדרכה. אלה נועדו לחלל או יישומים עמוקים הים חייב גם לעמוד בסטנדרטים כגון כללי איכות הסביבה של נאס"א (GEVS) או MIL-STD-810.תוכנית הבדיקה בדרך כלל שבורה לארבעה שלבים:

1. (FLT:0) בדיקות ברמת הסקירה: FLT:1 מעגלים משולבים בודדים ורכיבים פסיביים נתונים לקרינה וטמפרטורות קיצוניות.חלקים שאינם מוצצים לפני ההרכבה.
2. (FLT:0) מבחנים סביבתיים ברמה גבוהה: ההרחבה המלאה ממוקמת לתאי חום תרמיים, שולחנות רטט, לעג זעזועים וכלי לחץ. Tests כוללים לעתים קרובות רכיבה תרמי (למשל, -55 ° C עד +125 מעלות צלזיוס ל -100 מחזורים), רטט אקראי (20–2000 הרץ עד 20 גרם), וחשיפה לקרינה עד כמה מאות קילו.
3. (FLT:0) תוצאות בדיקות חיים:FLT:1 המכשיר מופעל ברציפות תחת מתחים משולבים (טמפרטורה גבוהה, לחץ, קרינה) כדי לדמות שנים של שימוש בשבועות.
4. (ב) ,0-System-level אימות: 1FLT:1 ציר הזמן משולב עם מערכת להוביל שלה ובדיקה ב- phantom מדמה של אדם טורסו.

הסמכה כוללת לא רק את יצרן המכשיר, אלא גם את סוכנות החלל או מפעילת הים העמוק. הערכת סיכונים, מצב כישלונ ואפקטים ניתוחים (FMEA), וסקירה עיצובית פורמלית חייבת להוכיח כי קוצב עומד על יעד אמינות מוגדר (למשל, 99.999% על החיים המשימה) כי חיי האדם תלויים במכשיר, כל כשל חד-נקודות שיכול להוביל לאובדן תפקוד שבץ הוא בדרך כלל בלתי מתקבל על הדעת.

מסלולים רגולטוריים שונים: בארצות הברית, קוצב מותאם לסביבות קיצוניות עשוי לדרוש תוספת חדשה PMA (Premarket Approval) או פטור ממכשיר חקירה נפרד (IDE) לשימוש בניסויים קליניים.ה- FDA ונאס"א שיתפו פעולה על memorandum של הבנה כדי לייעל את סקירת מכשירים רפואיים בחלל, אך התהליך נותר קפדני ומשך זמן-consuming.

חידושים וכיוונים עתידיים

למרות המכשולים העצומים, ההתקדמות היא מאיצה.כמה טכנולוגיות מתעוררות מבטיחות להכנת קוצני קצב שיכולים לפעול באופן אמין בכל מקום - מלבו של אסטרונאוט במהלך הנחיתה למאדים ועד לחזה של חוקר הים העמוק על צלילה בלתי אפשרית למישורים העצומים.

קרינה - מוקפת בעיצוב (RHBD) Microcontrollers

במקום להסתמך רק על הגנה, טכניקות RHBD לשנות פריסת מעגלים וסגנונות לוגיים כדי להפחית את הרגישות לאפקטים חד-פעמיים.דוגמאות כוללות שימוש בבידוד משולש, עניבה תת-קרקעית, ומתנגדים מופקדים עכשיו מציעים תהליכים ממושכים קרינה שיכול לסבול מינונים מלאים מעל 1 מראד, מה שהופך אותם מתאימים אפילו לחגורת הקרינה האינטנסיבית ביותר.

חומרים מתקדמים להחמימה הרמטית והניהול הרמימאל

Ceramic-metal מורכב הזנות, שפותחה במקור עבור נושרים אווירי, הם עכשיו מותאמים למכשירים מושתלים. הם מציעים קיבול נמוך יותר וסובלנות טמפרטורה גבוהה יותר מאשר אטמות מסורתיות זכוכית-מתכת. חומרים של שלב (PCMs) כגון שעווה פרפין או גליום יכול להשתלב לתוך החבילה כדי לספוג ספייקציות תרמיות וטמפרטורות פנימיות מתון.

חשמל אלחוטי ועברת נתונים

טעינה אינדוקטיבית בינונית כבר הוכחה ב קוצרים מסחריים, אבל עבור חוקרי יישומים בחלל מפתחים העברת כוח אולטרסאונד שיכול לתפקד באמצעות דיור מתכת עבה. תקשורת אופטית ( נוריות נחות) מציעה שיעורי נתונים גבוהים עם הפרעה אלקטרומגנטית מינימלית, אם כי זה דורש קו-of-sight.שלב מספר רב של שיטות יכול לאפשר קוצב לעבור בין טעינה, הורדה, קושחה ועדכון כפי שנדרש.

אינטליגנציה מלאכותית לפייסות הסתגלות

סביבות חלל ועמוקות הים מציגות דרישה פיזיולוגית משתנה: אסטרונאוטית נגד כוח הכבידה מופחת, דיבר חווה חזייה מושרה קר, או הר עם tachycardia המושרה hypoxia. An AI מונחה יכול ללמוד את דפוסי הבסיס של המטופל ולהתאים את קצב הפחתת העיכוב, עיכובים אטריות, ופלט אנרגיה בזמן אמתי כזה יכול להפחית את התגובה הקלה וניקוזמת הסוללות חלשות.

אדריכלות עצמית ואדריכלות רדונדנטית

קוצני קצב עתידיים עשויים לכלול מעגלי מבחן עצמי מתמשך (BIST) המנטרים את בריאות הסוללה, תנופה מובילה וביצועים מיקרו-בקר ללא הפרעה טיפול.אם מזהה את ה- BIST, המכשיר יכול לעבור ליחידת גיבוי צנרת ולזהיר את הצוות הרפואי באמצעות טלמטרי.זה "פו-סובלנות על ידי עיצוב" גישה סטנדרטית ב- avionics והוא בהדרגה נודד לתוך השתלים רפואיים קריטיים.

שיתופי פעולה ומפת דרכים

נאס"א מממנת מחקר מקיף על שתלים לב לטיסות חלל ארוכות טווח, כולל שיתוף פעולה בין מכון הלב טקסס ומרכז החלל ג'ונסון (ESA) תומך דומה במחקרים על אלקטרוניקה רפואית לבתי גידול ירחיים. בצד המסחרי, חברות סטארט-אפ כמו FLT:0MedtronicFLT:1 ו-FLT2:Boston ScientificFalure נמצאים ברזולוציה גבוהה של כל אחד מהמתכננים לקרינה "מחדשהמרחב" (Fericekerekerekerekericerekericerekerekerekereker) ו-FLT:1 ו-Fierekerekerekerekerekerekerek-FLT 1:0.

בעוד האנושות דוחפת עמוק יותר אל החלל ולמטה אל רצפת האוקיינוס, הצורך בתמיכה אמינה לב רק יגדל.האתגרים הם אמיתיים, אבל הישות המיושמת לפתרון הם מקדם את כל התחום של מכשירים רפואיים מושתלים בסופו של דבר, אותם טכנולוגיות ששומרות על לב ממאדים ישפרו גם את הבטיחות של עובדים בסביבה קיצונית, מנפט עמוק-ים ועד לתחנות מחקר עתידיות.

לקריאה נוספת על השפעות קרינה באלקטרוניקה, ראה:0 השפעות הקרינה של נאס"א וניתוח קבוצה של אנליזה 1 (עבור סטנדרטים רפואיים עמוקים הים, מתייחס ל-FLT:2 ISO 14708 סדרה:506501 3,5 ).