الإلكترونيات
تقنية الموجات فوق الصوتية الجديدة تُشغّل الزرعات الطبية لاسلكيًا
تحدي تزويد الزرعات الطبية المتقدمة بالطاقة
تحسين جسم الإنسان أو استبدال الأجزاء المعيبة كان هدفًا للطب منذ أول بدائل بدائية في العصور القديمة. تدريجيًا، مع تعقّب المكونات الميكانيكية، أصبحت فكرة استبدال أجزاء من الجسم شائعة بين محبي الخيال العلمي، مما أدى إلى فكرة السايبورغ، الأشخاص الذين يكونون نصف إنسان ونصف آلة.
إلى حد ما، يمكننا القول إن هذا يحدث بالفعل، من خلال عمليات مثل زرع أجهزة تنظيم ضربات القلب أو جراحات الورك التي تُجرى بانتظام وتُعالج مشاكل عضلة القلب أو المفاصل لدى المرضى، وتحسّنها باستخدام زرعات معدنية.
مع اقتراب حدوث زرعات عصبية وزرعات طبية متقدمة أخرى كواقع محتمل في العقد القادم، نقترب أكثر من أي وقت مضى من إنشاء أجسام سيبرانية حقيقية.
مع ذلك، لا يزال هناك مشكلة متكررة لمعظم الزرعات الطبية: مصدر الطاقة. تعتمد أجهزة تنظيم ضربات القلب على بطاريات صغيرة جدًا لأنها تحتاج إلى مستويات طاقة محدودة فقط. لكن زرعات مثل الشرائح العصبية ستحتاج على الأرجح إلى طاقة أكبر بكثير.
تواجه طرق الشحن اللاسلكي التقليدية، مثل التحريض الكهرومغناطيسي وأنظمة التردد الراديوي المستخدمة عادةً في الهواتف الذكية وسماعات الأذن، عدة تحديات.
يمكن أن تكون عرضة لمشكلات مثل مسافات النقل القصيرة، وانخفاض كفاءة الطاقة في الأنسجة الحيوية، والضعف أمام التداخل الكهرومغناطيسي.
قد يصبح طريقة أخرى ممكنة، وفقًا لأعمال الباحثين في جامعة كوريا، ومعهد كوريا للعلوم والتكنولوجيا (KIST)، وجامعة سونغكيونغوان (SKKU – كوريا الجنوبية)، وجامعة يونسي (كوريا الجنوبية)، وجامعة كاليفورنيا.
طوروا طريقة لإعادة شحن الأجهزة الطبية لاسلكيًا باستخدام الموجات فوق الصوتية بدلاً من ذلك. نشروا اكتشافهم في مجلة Advanced Materials1 تحت العنوان “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”.
لماذا تكافح الطاقة اللاسلكية لاختراق الأنسجة البشرية
تُستخدم الأجهزة الطبية القابلة للزرع الإلكترونية (IMDs) في التطبيقات العلاجية للأمراض أو الإصابات، مثل علاج التحفيز العصبي ومراقبة/علاج القلب والأوعية الدموية.
تحتاج إلى جراحة دورية لاستبدال البطارية، مما قد يؤدي إلى مضاعفات للمريض مثل عدوى موقع الجراحة، وتكوّن الأغشية الحيوية، وتكاليف رعاية صحية مرتفعة.
تسعى بعض الطرق لاستخدام طاقة البيئة المحيطة بالجسم، مثل طاقة سكر الدم، لتشغيل هذه الأجهزة.
في بعض التطبيقات، تجعل متطلبات الطاقة هذه الخيارات غير واقعية. بالنسبة للتطبيقات المستقبلية مثل الزرعات العصبية، يصبح ذلك أقل احتمالًا، مما يجعلها غازية جدًا.
نقل الطاقة عن بُعد باستخدام الأنظمة الكهرومغناطيسية أو موجات الراديو يخترق الأنسجة الحيوية بشكل ضعيف ويمكن أن يسبب آثارًا جانبية غير مرغوبة.
نقل الطاقة اللاسلكية الضوئية (الفوتوفولتية) غير مناسب أيضًا بسبب مشاكل انخفاض اختراق الضوء داخل الأنسجة وتلف الأنسجة الحراري.
على النقيض من ذلك، تُتحمل الموجات فوق الصوتية جيدًا من قبل الأنسجة الحيوية ويمكنها الاختراق بعمق دون إحداث ضرر، وهذا هو السبب في استخدامها روتينيًا لأغراض التشخيص، بما في ذلك على النساء الحوامل.
كيف تمكّن الموجات فوق الصوتية من شحن الزرعات لاسلكيًا
بفضل تاريخها الطويل في الاستخدام التشخيصي، تستفيد الموجات فوق الصوتية بالفعل من مجموعة كبيرة من الدراسات الطبية والمعايير التي تحدد مستويات الطاقة الآمنة للموجات التي يمكن استخدامها (تحدد إدارة الغذاء والدواء الحد الأقصى بـ 0.72 واط لكل سنتيمتر مربع).
يمكن لجهازين تحويل الموجات فوق الصوتية إلى كهرباء: الأجهزة الكهروضغطية (US-PENGs) والمولدات النانوية الكهروحتكاكية (US-TENGs).
تم تطوير US-PENGs لتزويد الزرعات الإلكترونية بالطاقة، لكنها تعتمد عادةً على سيراميك كهرضغطى يحتوي على الرصاص، وهو غالبًا ما يكون صلبًا وقد يثير مخاوف سمية.
لهذا السبب ركز الباحثون بدلاً من ذلك على تقنية US-TENG.
هذا الجهاز المغطى بمواد متوافقة حيويًا، بسمك 0.4 مم، يحقق كثافة شحنة عالية مناسبة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية حتى عمق ≈6 سم عند شدة الموجات فوق الصوتية غير الغازية.
كيف يعمل
اُستخدمت أفلام بوليمرية رقيقة لإنشاء US-TENG مرن بالكامل، مع طبقات من المادة البلاستيكية مكدسة فوق بعضها البعض، بما في ذلك الأكريليك أو بولي‑(ميثيل ميثاكريلات) (PMMA).
المصدر: Advanced Materials
اُستخدمت ألكانات بيرفلوروألكوكسي (PFA) لخصائصها الكهروحتكاكية تحت الطاقة الميكانيكية. تم ترسيب طبقة إلكترود على مقياس النانو للحفاظ على الخصائص الفريدة لفيلم PFA.
كما استُخدمت طبقة قوية من البولي يوريثان (PU) و بولي‑فيلينيدين فلويد‑تريفلووروإيثيلين، وكذلك كالسيتيتريت الكالسيوم والنحاس (P(VDF‑TrFE)pol/CCTO) لتعظيم إنتاج الشحنة الكهربائية.
المصدر: Advanced Materials
اختبار الزرعة التي تعمل بالموجات فوق الصوتية في ظروف واقعية
تم بعد ذلك تغليف الجهاز بالكامل في محلول بولي‑ديميثيل‑سيليكون (PDMS) لتوفير مقاومة للماء.
تم اختبار US‑TENG المرن هذا للأداء في الماء، والبوليمر/الهيدروجيل، وأنسجة الخنزير.
التطبيق العملي الأول سيكون دمج هذا الجهاز في جهاز تنظيم ضربات القلب بحيث لا يكون هناك حاجة لإجراء جراحة إضافية لتغيير بطارية الجهاز.
المصدر: Advanced Materials
وبالتوازي، تم التأكد من التوافق الحيوي لمركب P(VDF‑TrFE)/CCTO من حيث السمية الخلوية والسمية الجينية، مما يؤكد أنه آمن عمليًا كما ادعت الدراسات السابقة.
تم قياس توليد الطاقة بدقة باستخدام مقياس الاهتزاز الليزري، للتحقق من اهتزاز الجهاز. وأكد ذلك زيادة بنسبة 44٪ في كسب US‑TENG مقارنةً بالإصدار السابق لتقنية من الفئة نفسها.
المصدر: Advanced Materials
في النهاية، اختبروا كفاءة النظام اعتمادًا على شدة الموجات فوق الصوتية، والمسافة، وزاوية مصدر الموجات، لتحديد ما إذا كان يمكن استخدامه في ظروف واقعية لجهاز طبي داخل جسم الإنسان.
أكدت النتائج أن شدة الموجات فوق الصوتية المنخفضة نسبيًا، والمسافة التي تصل إلى 4‑8 سنتيمترات (1.5‑3 بوصات)، ومجموعة واسعة نسبيًا من الزوايا يمكن أن تعمل.
المصدر: Advanced Materials
ضمان المرونة والمتانة للزرعات الطبية
تحدٍ آخر للزرعات الطبية القابلة للزرع هو أنها تحتاج إلى أن تكون مرنة للغاية، لأن جسم الإنسان ليس هيكلًا روبوتيًا وتتحرك الأعضاء، خاصةً عضلة القلب.
لهذا السبب لم يكتفِ الباحثون باستخدام مواد مرنة فحسب، بل قاموا أيضًا بقياس ما إذا كانت تظل فعّالة بما يكفي عند انحنائها.
المصدر: Advanced Materials
وجدوا أنه فقد قليلًا من توليد الطاقة عند انحنائه في اتجاه واحد، لكنه زاد قليلاً عند انحنائه في الاتجاه الآخر. كان الارتفاع في توليد الطاقة نتيجة تحسين احتجاز موجات الموجات فوق الصوتية في الجهاز على شكل وعاء وزيادة تصادم الموجات على سطح الجهاز.
هذا على أي حال يثبت أن الجهاز يمكن أن ينحني دون أن يتضرر أو يفقد خصائصه في توليد الطاقة.
«من خلال هذا البحث، أثبتنا أن تقنية نقل الطاقة اللاسلكية باستخدام الموجات فوق الصوتية يمكن تطبيقها عمليًا.
نخطط لإجراء مزيد من البحث لتصغير الحجم والتسويق لتسريع التطبيق العملي للتقنية.»
د. سونغهون هور – باحث في KIST
أفكار نهائية: الخطوات التالية لتقنية زرعات الموجات فوق الصوتية
ستكون الأجهزة الطبية القابلة لإعادة شحنها لاسلكيًا تحسينًا هائلًا لملايين المرضى حول العالم.
سيساعد ذلك أيضًا على رفع القيود على أفكار زرعات أكثر طموحًا التي كانت حتى الآن مقيدة بنقص مصدر طاقة واقعي يكفي لأداء المهمة. قد تشمل زرعات توصيل الأدوية مباشرةً إلى مجرى الدم، ومراقبة مواد كيميائية محددة، وزرعات عصبية، وغيرها.
يمكن نشر هذه التقنية بسرعة، بسمك 0.4 مم فقط، ومرونة قوية، وتوافق حيوي جيد، وسهولة في التصنيع دون الحاجة إلى مواد نادرة أو غريبة.
قد تجد التقنية تطبيقات حتى خارج الأجهزة الطبية، حيث يمكن استخدامها بسهولة لإعادة شحن الطائرات تحت الماء دون الحاجة إلى اتصال، مما يلغي الحاجة إلى إنشاء شواحن كهربائية مقاومة للماء.
الاستثمار في التكنولوجيا الصحية
Koninklijke Philips N.V.
(PHG )
تُعد Philips علامة تجارية معروفة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية الصغيرة (ماكينات الحلاقة، فرش الأسنان الكهربائية)، وتشارك بنشاط في مجال الرعاية الصحية. على سبيل المثال، كانت رقم 1 في تقديم براءات الاختراع في مجال MedTech في أوروبا لعام 2022.
تنشط في المنتجات الطبية المتصلة، من الأجهزة القابلة للارتداء إلى التصوير، وأجهزة التنفس، أو الروبوتات الطبية.
كما تنشط الشركة في مجال أشباه الموصلات (بما في ذلك تقنية المغناطيسية العائمة) والتقنيات المتقدمة/الروبوتات/الأتمتة، حيث تشترك جميع الأنشطة في قاعدة تقنية مشتركة.
المصدر: Philips
تقدم Philips أجهزة قابلة للارتداء لقياس مؤشرات القلب، والتنفس، والنشاط. يمكن دمج حسّاتها في الساعات الذكية، وأجهزة مراقبة الصحة، واللصقات الطبية، وأجهزة تتبع النشاط.
يمكن لخبرة Philips في الحساسات المتوافقة حيويًا، وأشباه الموصلات، والحلول اللاسلكية أن تجعلها رائدة في الزرعات الطبية المتقدمة ذات الشحن اللاسلكي.
بالنسبة للأجهزة الطبية، تفضّل Philips حل الشراكة، حيث تطور للجهات الثالثة أجهزتها الطبية المتصلة بإنترنت الأشياء (IoT) المتوافقة بالكامل مع باقي حلول Philips. وفي هذا السياق، تقدم لعملائها النمذجة الأولية، والاستشارات التنظيمية، وتطوير المنتج من البداية إلى النهاية، والإنتاج على نطاق صناعي.
يجعل ذلك Philips شركة تركز على التكنولوجيا ومرشحًا محتملًا لدمج الابتكارات بسرعة في الأجهزة الطبية القائمة. إجمالًا، أثرت أجهزة Philips مباشرةً على أكثر من 1.8 مليار شخص.
تسعى الشركة إلى إنشاء بيئة رعاية صحية رقمية متكاملة بالكامل، حيث تتطابق الحساسات مع الأجهزة، ثم تستخدم حلول اتصال متعددة للتكامل مع حل Philips HealthSuite Cloud والسماح بالتحليل المتعمق للبيانات.
المصدر: Philips
باعتبارها موردًا لصناعة MedTech، وغالبًا ما تصنّع لعلامات تجارية أخرى، لا تُظهر Philips نفسها بوضوح في القطاع كما تفعل الشركات الأخرى الأكثر بروزًا. ومع ذلك، فهي خبيرة في بناء الأجهزة الإلكترونية عالية الأداء والحساسات، وغالبًا ما تدفع حدود الممكن في مجالها المتخصص في الرعاية الصحية والأجهزة القابلة للارتداء.
مع تزايد دمج الأجهزة القابلة للارتداء والإلكترونيات الطبية في الرعاية الصحية والبروتوكولات الطبية، من المرجح أن ينمو قطاع الرعاية الصحية لشركة Philips كجزء من التكتل.
أحدث أخبار وتطورات سهم Koninklijke Philips N.V. (PHG)
مرجع الدراسة:
1. إيمان م. إيماني، هيون سو كيم، وآخرون. مستقبل مستقبل الموجات فوق الصوتية المتوافقة مع الجسم لنقل الطاقة اللاسلكية بكفاءة واستقرار في الشحن العميق عبر الجلد. Advanced Materials. المجلد 37، العدد 19. 12 مايو 2025
