Düşünmez: Uzay ve Extreme Çevreler için Mühendislik Pacemakers

Pacemakers, bir okyanus siperinin altmışını veya yüksek çözünürlükte bir dağın en çok tüketici elektroniklerini dağıtan bir cihazla karşı karşıya kaldığında, güvenli bir şekilde bir deniz aracının her yüzünün altında, bir okyanusun altmışını veya yüksek çözünürlükte bir dağın en düşük seviyesine sahip olan şartların yerine getirilmesi gerekir.

Bu makale, uzay ve aşırı ortamlar için hız yapıcılar tasarlarken karşılaşılan eşsiz engeller, performanslarını doğrulayan titiz test protokolleri ve Dünya'nın ötesindeki kardiyak bakımın sınırlarını genişletmeye söz veren yeni yenilikler keşfeder.

Çevre Tehlikelerinin Spectrumi

Aşırı ortamlarda kullanım için tasarlanmış Pacemakers, birbirlerini birleştirir ve genişleten strese sahip olmalıdır. Düşük Dünya yörüngesinde bir uzay aracı, örneğin, her iki yoğun vakum ve hızlı termal bisiklet için ön şart. Derin denizaltı basıncı. Yüksek çözünürlükte bir iklim istasyonu konu elektronikleri düşük oksijene, aşırı soğuk ve yüksek ultraviyole radyasyonuna dönüştürür.

Radyasyon ve Single- Event Effects

Dünya atmosferi ve manyetik alanının koruyucu battaniyesinin ötesinde, radyasyonun baskın bir endişe haline gelmesidir. Galaktik kozmik ışınları, güneş parçacık olayları ve sıkışık radyasyon kemerleri (örneğin Van Allen kemerleri gibi) yüksek enerjili protonlarla bombalanmış elektronik bileşenler ve ağır iyonlar.

  • [FONT:0) Tek- Event Upsets (SEUs):[Dönder: 1) Tek bir parçacık grevi, hızçının mikro kontrollerinde biraz hafızaya dönüştürebilir, yanlış zamanlamaya veya komut yanlış yorumlamaya yol açabilir.
  • [FONT=0)Latch-up:[Dönetici:[Dönetici] Yüksek enerji ayrıştırıcısı, CMOS devrelerinde bir parasitik yourristor yolunu tetikleyebilir, cihazı azaltamazsa, bu da bir anda dalgalanmaya neden olur.
  • [0]Toplam Dose (TID) Etkileri: [DDÜDÜDÜDÜDÜSTRİYE) yarı iletken malzemeler, eş gerilimleri değiştirmek ve sızıntı akımlarını artırmak. Çok yıllık bir Mars misyonu üzerinden, TID, ticari-offtheshelf elektroniklerinin toleransının çok ötesinde birkaç yüz kiloyu geçebilir.
  • [FONT=0]Displacement Hasarı:[Dönetici:[Dönetici:0) Neutrons ve protonlar fiziksel olarak kristal latticeden atomları çalabilir, sensörlerin yüksek devre dışı bırakma ve batarya performansını azaltır.

Pacemaker tasarımcıları radyasyonun parçalanmış bileşenlerin bir kombinasyonunu, hata düzeltme kodları, redundant mantığı ve judicious kalkaning. Ancak, kalkaning ağırlık ekliyor - herhangi bir uzay misyonunda prim - ve cihazın toplam kütle bütçesine karşı dikkatli bir şekilde dengelenmelidir.

Sıcaklık Extremes ve Termal Bisiklet

Uzayda bir hız makinesi, Everest'in doğrudan güneş ışığından geçiş yapabilir - 150 °C'nin derin soğukuna geçiş yapar. Dünya'da, Everest'te bir dağcı tarafından yapılan bir cihaz, diurnal salaklar altında iyi olur -40 °C. kimyası sadece bataryaların mekanik bütünlüğüne, aynı zamanda konutun da dahil edilmesine neden olur.

Lityum-karbon monofluoride piller - modern implantatiflerin iş kümeleri - düşük sıcaklıklarda kapasite ve güç çıktıları azaltılır. Yüksek sıcaklıklarda, iç direnç yükselir ve bozulma oranları hızlanır. Termal genişleme ve sözleşme döngüsü, mikro-kahkahramanları devreleri devreleri ile devre dışı bırakabilir veya vücuttaki elektronikleri izole eden mühürler. Gelişmiş enkapsülasyon malzemeleri, lazer-welded titanyum vakaları gibi, seramik yemleme oranları ile çalışır.

Vakum ve Katılımcı Basınç Etkileri

Uzayın vakumunda, polimerlerden dışlayıcılar ve yağlar hassas optik veya elektrik kontaklarında kirleticiler depolar veya elektrik kontakları konusunda depolar ve yüksek gerilim bileşenleri arasındaki titreşimleri azaltır - bir hız makinesinin pacing çıkışı için felaket bir başarısızlık modu.

Hidrostatik basınç (Deep-Sea Environments)

Çeşitli güvenlik veya araştırma platformları gibi alt deniz uygulamaları için, hız yapıcılar 1.000 atmosferi aşmaya (10.000 metre derinliği) Katı baskıya karşı baskıya dayanmalıdır ve beslemeler elektrik izolasyonunu sürdürürken baskı tutmalıdır. Test, cihazı iniş ve ascentalılık ve elektriksel sürekliliği kontrol etmek için içerir.

Titreşim, Şok ve Hızlandırma

Araçlar konusu, yoğun rastgele titreşime, akustik gürültüye ve hıza kadar 6 g veya daha fazla Pyrotechnic şok olaylarını aşama sırasındaki ayrılıklar yüksek frekanslı dürtüleri 10.000 g. A speedmaker'ın iç bağlantılarına kadar yükseltebilir - Wi-ler, satışlar ve konektörler - kırıklık veya detach kullanmıyor. Tasarımcılar yeniden başlangıçlı frekansları tanımlamak için sonlu analizleri kullanabilirler ve ayrıca yüksek frekanslı malzemeleri veya dolum malzemeleri veya dolumları güvenli bileşenler altında ekleyebilirler.

Teknik ve Tasarım Hurdles

Çevre direncinin ötesinde, aşırı enerji hız yapıcılar aynı temel gereksinimleri karasal cihazlar olarak karşılamalıdır: hassas zamanlama, düşük güç tüketimi, küçük boyut ve biyokompatlanabilirlik. Tüm bunları radyasyon sertleştirici, kırmızı ambalaj sistemleri ekleyerek ve sağlam paketlemeler mevcut teknolojinin sınırlarını zorlar.

Miniaturization vs. Reddancy

Implantable speedmakers zaten en miniaturized tıbbi cihazlar arasındadır.Relamentalatorlar, hafıza bankaları veya yedek pacing devreleri hacmi ve kütle artırmaktadır.Bu ticarette gerekli olan ayak izi yerine, üç tane delilikli kırmızıya sahip değildir (üç tane aynı mantık bloklar, çoğunluk oylamasıyla), hafıza kodları kullanarak hata kaydederek kodlar (ECC) tam fikre sahip olur.

Güç Supply ve Enerji

Battery hayatı bir perennial endişesidir.Yerel hız yapıcılarında, lityum-iodine hücreleri son 5-12 yıl boyunca kalıcı bir on yıl veya daha fazla, bu yetersiz olabilir. Araştırmacılar araştırıyor:

  • [FONT:0]Nuclear bataryalar (radioisotope termoelektrik jeneratörleri, RTGs):[Dönetici:0) plutonium-238 veya americium-241'in elektrik üretmesi için çürümesini kullanarak, RTG'ler ağır, ısı üretmek ve sıkı güvenlik onayları gerektirir.
  • [FONT:0)Betavoltaics:[Döneticiler:[Dönetici:0)[Döneticiler:[Döneticiler:[Döneticiler:[Döneticiler: 0)))))))))))) Beta radyasyonu tritium veya promethium'dan elektrik akımına dönüştüren yarı iletken cihazlar.
  • [FONT:0]Wireless güç transferi:[Dönetici:[Dönetici) Inductive coupling veya ultrason, astronot veya dalgıç tarafından kullanılan dış bir vericiden küçük bir iç bataryayı geri alabilir. Bu büyük birincil hücreye ihtiyaç duyar, ancak dinamik ortamlardaki uyum ve verimliliğin karmaşıklığını ortaya koyar.
  • [FONT=0)Kinetic veya termal hasat:) Vücut hareketini veya sıcaklık gradientlerini bir kapasitör için hile yapmak için kullanmak. enerji yoğunluğu çok düşük, ancak yedekleme veya ek enerji için değerli olabilir.

İletişim ve Veri Bütünlüğü

Telemetri bağlantıları, doktorların hızçının statüsünü izlemesine, ayarlama parametrelerini ve video event loglarını indirmesine izin verir. Uzayda, uzun mesafeler ve yüksek elektromanyetik gürültüyü onboard sistemlerinden zorlu radyo frekansı (RF) iletişim.Inductive telemetri (near-field) birkaç santimetre ile sınırlıdır; bir bağlantı müdahaleyle rekabet etmeli ve yönsüz antenler gerektirmelidir. Data paketleri, yolsuzluk veya güvenlik ihlallerini önlemek için sağlam bir şekilde kodlanmalıdır.

Biocompatability ve Long-Term Survival

Aşırı ortamlarda bile, cihaz insan dokusuyla uyumlu kalmalıdır. titanyum vaka, silikon kauçuk başlıkları ve steroid destekli elektrotlar Dünya'da iyi kanıtlanabilir. Ancak, radyasyon polimerleri bozabilir, onlara kombine radyasyon altında sert yaşlanma testleri yapmak için neden olur.

Test, Kazanılanlama ve Sertifikalandırma

Yerel kullanım için bir hız makinesi ISO 14708 ve FDA rehberliği altında bir test bataryası alıyor. Uzay veya derin deniz uygulamaları için tasarlanmış olanlar ayrıca NASA'nın Genel Çevre Doğrulama Standardı (GEVS) veya MIL-STD-810 gibi standartları karşılamalıdır.

  1. [FONT:0)Component- Seviye tarama: Bireysel bütünleşik devreler ve pasif bileşenler radyasyon ve sıcaklık aşırılıkları ile karşı karşıyadır.
  2. [FONT:0]Sekiz-düşük çevresel testler: [Dönder: [Dönerge: 1] Tamam, tam hız makinesi, vibrasyon masaları, şok alayları ve basınç gemileri. Testler genellikle termal bisiklet (örneğin, 100 döngü için +125 °C) içerir, rastgele vibrasyon (20–2000 Hz 20 g RMS'ye kadar), ve radyasyon maruz kalmaları birkaç yüz kilorads.
  3. [FONT:0)Accelerated life testing:[Dönetici:0) Cihazın sürekli olarak kombine stres altında (yüksek sıcaklık, basınç, radyasyon) haftalar içinde kullanım süresini simüle etmek için kullanılır.
  4. [FONT=0]Sistem düzeyinde doğrulama: [Dönder:[Dönder: 0 ) Hız üreticisi, öncü sistemle entegre edilmiş ve simdi bir insan torso phantom. Electrofiziksel kayıt ve picing yakalama eşleri aşırı koşullar altında doğrulanmıştır.

Sertifika sadece cihaz üreticisi değil, aynı zamanda uzay ajansı veya derin deniz operatörü içerir. Risk değerlendirmeleri, başarısızlık modu ve etkiler analizleri (FMEA), ve resmi bir tasarım incelemesi, hız yapımcısının belirli bir güvenilirlik hedefiyle karşıladığını göstermektedir (örneğin, 99.999% görev ömrüne bağlıdır).

Düzenleme yolları farklıdır: Amerika Birleşik Devletleri'nde, aşırı ortamlar için değiştirilmiş bir hız makinesi, yeni bir PMA (Premarket Onay) takviyesi veya klinik çalışmalarda kullanılmak için ayrı bir araştırma cihazı muafiyeti (IDE) gerektirir. FDA ve NASA uzay-medikal cihazlarının gözden geçirilmesi için bir memorandum üzerinde işbirliği yaptı, ancak süreç titiz ve zaman alıcı kalır.

Innovations and Future

İnanılmaz engellere rağmen, ilerleme hız vericiler için her yerde güvenilir bir şekilde çalışabilecek vaat ediyor - Mars'tan derin bir deniz araştırmacısının göğsüne inen derin bir düzelme söz veriyor.

Prodüksiyon (RHBD) Mikrokontrolörler tarafından radyasyona karşı çıktı

Sadece kalkanlara güvenmek yerine, RHBD teknikleri, 1 Bayad'ın üzerindeki toplam dozları tolere eden devre düzeni ve mantık stillerini değiştirir, üç yatak izolasyonu, substrat kravatları kullanımını içerir ve depolanan dirençler depolar.

Hermetici için Gelişmiş Malzemeler ve Termal Yönetim

Seramik-Metal kompozit yemleri, başlangıçta havacılık bağlantıları için gelişmiştir, şimdi implant edilebilir cihazlar için adapte edilebilir hale gelir. Daha düşük kapasiteli ve yüksek sıcaklık toleransı geleneksel cam metal mühürlerinden daha yüksek ısı toleransı sunar. Aşama-change malzemeler (PCMs) gibi, paraffin veya galium, ısınıcıları ve orta iç sıcaklık akışlarını absorbe etmek için cihaz paketine entegre edilebilir.

Kablosuz Güç ve Data Transmission

Ortamdaki yüksek çözünürlükte zaten ticari hız yapıcılar tarafından gösterilmiştir, ancak uzay uygulamaları araştırmacılar şarj, veri indirme ve gerekli olarak güncellemek için bir hız makinesine izin verebilir. Optik iletişim (near-infrared LEDs) minimum elektromanyetik müdahale ile yüksek veri oranları sunar, ancak çizgi-görüler bir araya getirebilir.

A Adaptif Pacing için Yapay Zeka

Uzay ve derin deniz ortamları değişken fizyolojik talep sunuyor: Düşük tabanlı bir robot paterniğe karşı egzersiz yapan bir astronot, gerçek zamanlı olarak soğuk bir sütlü bir balodinamik yanıt ile bir dağ bisikleti azaltılabilir ve hemodinamik yanıtını geliştirebilecek.Intrap a AI-güdümlü bir hız makinesi, hastanın temel kalıplarını öğrenebilir ve pacing oranını, atrioventriküler gecikmeye karşı bir enerji.Bu tür adaptasyon gereksiz bataryayı azaltacaktır.

Özal ve Red dışı Mimarlık

Future speedmakers sürekli olarak kendini test eden devreleri (BIST) tasarıma göre devreler dahil edebilir ve mikro kontrol edici performansları bozmadan tedavi edilebilir.Bir hata tespit edilirse, cihaz bir yedek pacing ünitesine geçebilir ve tıbbi ekibi telemetri ile uyarır.

Ortaklıklar ve Yolmaps

NASA, otomobil implantları üzerinde uzun süredir araştırma yaptı - Texas Heart Institute ve Johnson Space Center arasında işbirliği de dahil olmak üzere uzun süredir devam eden bir araştırma yaptı. Avrupa Uzay Ajansı (ESA) aynı zamanda, “Uzgunluk” ve “geceli hızmaker” arasındaki ayrımın gerçekleştiği bir geleceğe dönük olarak, her türlü uygulamadaki radyasyona yatırım yapan ve yüksek basınçlı makinelere yatırım yapıyor.

İnsanlığın uzaya ve okyanusa daha derin ittiği gibi, güvenilir kalp desteği ihtiyacı sadece büyüyecek. Zorluklar gerçek, ancak teşvik etmek için uygulanan ingenuity, implantable tıbbi cihazlarla ilgili tüm alanı ilerletir ve Mars'ta bir kalbi bir şekilde keşfedecek aynı teknolojiler, derin denizlerin araştırma istasyonlarına olan aşırı karasal ortamlardaki işçilerin güvenliğini de geliştirecektir.

Elektronikte radyasyon etkileri hakkında daha fazla okuma için, bkz.ZEFLT:0)NASA'nın Radyasyon Etkileri ve Analizi Grubu) . Derin deniz tıbbi cihaz standartları için, [[Ücretsiz hız yapıcılarına rehberlik eden ISO 14708 serisi).