नई अल्ट्रासाउंड तकनीक से चिकित्सा इम्प्लांट्स को वायरलेस रूप से शक्ति प्रदान की जाती है

उन्नत चिकित्सा इम्प्लांट्स को शक्ति प्रदान करने की चुनौती

Improving the human body, or replacing defective parts, has been a goal of medicine as long ago as the first crude prosthesis of antiquity. Progressively, as mechanical components become more complex, the idea of replacing parts of the body became increasingly popular among science fiction enthusiasts, leading to the idea of cyborgs, people that would be half-human, half-machine.

कुछ हद तक, हम कह सकते हैं कि यह पहले से ही हो रहा है, जैसे पेसमेकर इम्प्लांट या कूल्हे की सर्जरी को नियमित रूप से किया जाता है और हृदय मांसपेशी या रोगी के जोड़ में समस्याओं को धातु इम्प्लांट्स से सुधारते हैं।

जैसे ही न्यूरल इम्प्लांट और अन्य उन्नत चिकित्सा इम्प्लांट अगले दशक में वास्तविकता बनने की ओर बढ़ रहे हैं, हम सच्चे साइबरनेटिक शरीर बनाने के करीब पहुँच रहे हैं।

हालाँकि अधिकांश चिकित्सा इम्प्लांट्स के लिए एक बार‑बार आने वाली समस्या अभी भी बनी हुई है: ऊर्जा आपूर्ति। पेसमेकर बहुत छोटे बैटरियों से काम चलाते हैं क्योंकि उन्हें केवल सीमित शक्ति की आवश्यकता होती है। लेकिन न्यूरल चिप जैसे इम्प्लांट्स को संभवतः अधिक ऊर्जा की जरूरत होगी।

परम्परागत वायरलेस चार्जिंग विधियाँ, जैसे इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शन और रेडियो फ़्रीक्वेंसी‑आधारित सिस्टम जो स्मार्टफ़ोन और ईयरबड्स में सामान्य हैं, कई चुनौतियों का सामना करती हैं।

वे संक्षिप्त ट्रांसमिशन दूरी, जैविक ऊतकों में कम ऊर्जा दक्षता, और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक हस्तक्षेप के प्रति संवेदनशीलता जैसी समस्याओं के प्रति कमजोर हो सकती हैं।

अन्य एक विधि संभव हो सकती है, जैसा कि कोरिया यूनिवर्सिटी, कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ़ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (KIST), सुँग्युंकवान यूनिवर्सिटी (SKKU – दक्षिण कोरिया), यॉन्सेई यूनिवर्सिटी (दक्षिण कोरिया) और यूनिवर्सिटी ऑफ़ कैलिफ़ोर्निया के शोधकर्ताओं के कार्य से पता चलता है।

उन्होंने अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके चिकित्सा उपकरणों को वायरलेस रूप से रिचार्ज करने का तरीका विकसित किया। उन्होंने अपनी खोज Advanced Materials¹ में प्रकाशित की, शीर्षक “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging” के तहत।

वायरलेस ऊर्जा को मानव ऊतक में प्रवेश करने में कठिनाई क्यों होती है

Electronic implantable medical devices (IMDs) are used in therapeutic applications of diseases or injuries, such as neurostimulation therapy and cardiovascular curing/monitoring.

इनके बैटरियों को बदलने के लिए नियमित सर्जरी की आवश्यकता होती है, जिससे रोगी को सर्जिकल साइट संक्रमण, बायोफ़िल्म निर्माण और उच्च स्वास्थ्य देखभाल लागत जैसी जटिलताओं का सामना करना पड़ सकता है।

कुछ विधियाँ शरीर की पर्यावरणीय ऊर्जा, जैसे रक्त शर्करा, को इन उपकरणों को शक्ति देने के लिए उपयोग करने की कोशिश करती हैं।

कुछ अनुप्रयोगों के लिए, शक्ति की आवश्यकताएँ इन विकल्पों को अव्यावहारिक बनाती हैं। भविष्य के अनुप्रयोगों जैसे न्यूरल इम्प्लांट्स के लिए, यह और भी कम संभव है, जिससे वे अत्यधिक आक्रामक रहेंगे।

इलेक्ट्रोमैग्नेटिक या रेडियो वेव सिस्टम के साथ ऊर्जा का दूरस्थ ट्रांसफ़र जैविक ऊतकों में खराब प्रवेश करता है और अनचाहे दुष्प्रभाव उत्पन्न कर सकता है।

फोटोवोल्टाइक वायरलेस ऊर्जा ट्रांसफ़र भी असंगत है क्योंकि ऊतक के भीतर प्रकाश की कम प्रवेश और तापीय ऊतक क्षति जैसी समस्याएँ होती हैं।

इसके विपरीत, अल्ट्रासाउंड जैविक ऊतकों द्वारा अच्छी तरह सहन किया जाता है और बिना क्षति पहुँचाए गहराई तक प्रवेश कर सकता है, इसलिए इसे नियमित रूप से निदानात्मक उद्देश्यों के लिए, गर्भवती महिलाओं सहित, उपयोग किया जाता है।

अल्ट्रासाउंड कैसे वायरलेस इम्प्लांट चार्जिंग को सक्षम करता है

Thanks to its long history of use in diagnostics, ultrasound already benefits from a large body of medical studies and norms determining the safe energy levels of ultrasounds that can be used (the FDA defines this as a maximum of 0.72 W per square centimeter).

दो प्रकार के उपकरण अल्ट्रासाउंड को विद्युत में परिवर्तित कर सकते हैं: पायज़ोइलेक्ट्रिक (US-PENGs) और ट्राइबोइलेक्ट्रिक नैनोजेनरेटर (US-TENGs)।

US-PENGs को इलेक्ट्रॉनिक इम्प्लांट्स को शक्ति देने के लिए विकसित किया गया है, लेकिन आमतौर पर यह सीसा‑आधारित पायज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पर निर्भर होते हैं, जो अक्सर कठोर होते हैं और विषाक्तता की चिंता उत्पन्न कर सकते हैं।

इसी कारण शोधकर्ताओं ने US-TENG तकनीक पर ध्यान केंद्रित किया।

यह बायोकम्पैटिबल कवर वाला उपकरण, जिसकी मोटाई 0.4 mm है, उच्च चार्ज घनत्व प्राप्त करता है जो गैर‑आक्रामक अल्ट्रासाउंड तीव्रता पर लगभग 6 सेमी गहराई तक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शक्ति प्रदान करने के लिए उपयुक्त है।

यह कैसे काम करता है

पतली पॉलिमरिक फिल्में उपयोग की गईं ताकि पूरी तरह लचीला US‑TENG बनाया जा सके, जिसमें प्लास्टिक सामग्री की परतें एक‑दूसरे पर रखी गईं, जैसे एक्रिलिक या पॉली‑(मेथिल मेथाक्रिलेट) (PMMA)।

स्रोत: Advanced Materials

परफ्लुओरोअल्कॉक्सी अल्केन्स (PFA) को उनके यांत्रिक ऊर्जा के तहत ट्राइबोइलेक्ट्रिक गुणों के कारण उपयोग किया गया। PFA फ़िल्म की विशिष्ट विशेषताओं को बनाए रखने के लिए नैनो‑स्केल इलेक्ट्रोड की परत जमा की गई।

इलेक्ट्रिक चार्ज उत्पादन को अधिकतम करने के लिए पॉलीयूरेथेन (PU) और पॉलीविनाइलिडेन फ्लोराइड‑ट्रिफ्लुओरोइथिलीन, तथा कैल्शियम कॉपर टाइटेनेट (P(VDF‑TrFE)pol/CCTO) की एक मजबूत परत भी उपयोग की गई।

स्रोत: Advanced Materials

वास्तविक परिस्थितियों में अल्ट्रासाउंड‑पावर्ड इम्प्लांट का परीक्षण

पूरे उपकरण को फिर जलरोधक बनाने के लिए पॉलीडिमिथाइलसिलॉक्सेन (PDMS) घोल में एन्कैप्सुलेट किया गया।

इस लचीले US‑TENG का प्रदर्शन पानी, पॉलिमर/हाइड्रोजेल और सूअर के ऊतक में परीक्षण किया गया।

पहला व्यावहारिक अनुप्रयोग इस उपकरण को पेसमेकर में स्थापित करना होगा ताकि उपकरण की बैटरी बदलने के लिए अतिरिक्त सर्जरी की आवश्यकता न रहे।

स्रोत: Advanced Materials

साथ ही, P(VDF‑TrFE)/CCTO मिश्रण की साइटोटॉक्सिसिटी और जीनोटॉक्सिसिटी के संदर्भ में बायोकम्पैटिबिलिटी की पुष्टि की गई है, जिससे यह सिद्ध होता है कि यह व्यावहारिक रूप से पहले के अध्ययनों जितना सुरक्षित है।

ऊर्जा उत्पादन को लेज़र वैब्रॉमीटर से सटीक रूप से मापा गया, जिससे उपकरण के कंपन की जाँच की गई। इसने पिछले संस्करण की समान श्रेणी की तकनीक की तुलना में US‑TENG में 44 % की वृद्धि की पुष्टि की।

स्रोत: Advanced Materials

अंततः, उन्होंने अल्ट्रासाउंड तीव्रता, दूरी और अल्ट्रासाउंड स्रोत के कोण के आधार पर प्रणाली की दक्षता का परीक्षण किया, यह निर्धारित करने के लिए कि क्या इसे मानव शरीर में चिकित्सा उपकरण के लिए वास्तविक परिस्थितियों में उपयोग किया जा सकता है।

इसने पुष्टि की कि अपेक्षाकृत कम अल्ट्रासाउंड तीव्रता, 4‑8 सेमी (1.5‑3 इंच) तक की गहराई, और व्यापक कोण रेंज काम कर सकते हैं।

स्रोत: Advanced Materials

चिकित्सा इम्प्लांट्स की लचीलापन और टिकाऊपन सुनिश्चित करना

इम्प्लांटेबल चिकित्सा उपकरणों की एक और चुनौती यह है कि उन्हें आदर्श रूप से बहुत लचीला होना चाहिए, क्योंकि मानव शरीर रोबोटिक फ्रेम नहीं है और अंग, विशेषकर हृदय मांसपेशी, गति करते हैं।

इसीलिए शोधकर्ताओं ने न केवल लचीले सामग्री का उपयोग किया, बल्कि यह भी मापा कि मोड़ने पर वे कितनी दक्षता बनाए रखते हैं।

स्रोत: Advanced Materials

उन्होंने पाया कि एक दिशा में मोड़ने पर ऊर्जा उत्पादन में थोड़ा कमी आई, लेकिन विपरीत दिशा में मोड़ने पर कुछ वृद्धि हुई। ऊर्जा उत्पादन में वृद्धि का कारण बाउल‑आकार के उपकरण में अल्ट्रासाउंड तरंगों का बेहतर फँसना और उपकरण की सतह पर तरंग टकराव में वृद्धि थी।

यह दर्शाता है कि उपकरण को बिना क्षति या ऊर्जा‑उत्पादन गुणों को खोए बिना मोड़ा जा सकता है।

“इस शोध के माध्यम से, हमने सिद्ध किया है कि अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके वायरलेस पावर ट्रांसमिशन तकनीक को व्यावहारिक रूप से लागू किया जा सकता है।

हम तकनीक के व्यावहारिक अनुप्रयोग को तेज़ करने के लिए मिनीएचराइज़ेशन और व्यावसायीकरण हेतु आगे शोध करने की योजना बना रहे हैं।”

डॉ. सुंगहून हुर – KIST में शोधकर्ता

अंतिम विचार: अल्ट्रासाउंड इम्प्लांट तकनीक के अगले कदम

Medical devices that could be recharged wirelessly would be a tremendous improvement for millions of patients globally.

यह अधिक महत्वाकांक्षी इम्प्लांट विचारों की सीमा को भी हटाएगा, जो अब तक वास्तविक ऊर्जा आपूर्ति की कमी के कारण सीमित थे। इसमें रक्त प्रवाह में सीधे दवा देने वाले इम्प्लांट, विशिष्ट रसायनों की निगरानी करने वाले, न्यूरल इम्प्लांट आदि शामिल हो सकते हैं।

यह इम्प्लांट तकनीक शीघ्रता से लागू की जा सकती है, केवल 0.4 mm मोटाई, उच्च लचीलापन, अच्छी बायोकम्पैटिबिलिटी और दुर्लभ विदेशी सामग्री के बिना आसान निर्माण के साथ।

तकनीक का उपयोग चिकित्सा उपकरणों से परे भी हो सकता है, क्योंकि इसे बिना संपर्क के जलमग्न ड्रोन को रिचार्ज करने के लिए भी आसानी से उपयोग किया जा सकता है, जिससे जलरोधक इलेक्ट्रिक चार्जर बनाने की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

हेल्थटेक में निवेश

Philips एक प्रसिद्ध उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स ब्रांड है (शेवर, इलेक्ट्रिक टूथब्रश), जो स्वास्थ्य देखभाल में भी सक्रिय है। उदाहरण के तौर पर, यह 2022 में यूरोप में MedTech पेटेंट फाइलिंग के लिए #1 था।

यह कनेक्टेड मेडिकल उत्पादों में सक्रिय है, वियरेबल्स से लेकर इमेजिंग, रेस्पिरेटर या मेडिकल रोबोट तक।

कंपनी सेमीकंडक्टर्स (मैग्लेव तकनीक सहित) और हाई‑टेक/रोबोटिक्स/ऑटोमेशन में भी सक्रिय है, जहाँ प्रत्येक गतिविधि एक सामान्य तकनीकी आधार साझा करती है।

स्रोत: Philips

Philips हृदय, श्वसन और गतिविधि मीट्रिक के लिए वियरेबल्स प्रदान करता है। इसके सेंसर स्मार्टवॉच, स्वास्थ्य मॉनिटर, मेडिकल पैच और एक्टिविटी ट्रैकर में एकीकृत किए जा सकते हैं।

बायोकम्पैटिबल सेंसर, सेमीकंडक्टर्स और वायरलेस समाधान में Philips की विशेषज्ञता इसे वायरलेस चार्जिंग वाले उन्नत चिकित्सा इम्प्लांट्स में अग्रणी बना सकती है।

चिकित्सा उपकरणों के लिए, Philips साझेदारी समाधान को प्राथमिकता देता है, जहाँ यह थर्ड‑पार्टी के लिए उनके कनेक्टेड IoT (इंटरनेट ऑफ थिंग्स) मेडिकल डिवाइस विकसित करता है जो Philips के अन्य समाधान के साथ पूरी तरह संगत होते हैं। इस संदर्भ में, यह अपने ग्राहकों को प्रोटोटाइपिंग, नियामक सलाह, एंड‑टू‑एंड प्रोडक्ट डेवलपमेंट और औद्योगिक‑स्तर उत्पादन प्रदान करता है।

यह Philips को एक प्रौद्योगिकी‑उन्मुख कंपनी बनाता है और मौजूदा चिकित्सा उपकरणों में नवाचार को शीघ्रता से एकीकृत करने के संभावित उम्मीदवार बनाता है। कुल मिलाकर Philips के उपकरण सीधे 1.8+ अर्ब लोगों को प्रभावित करते हैं।

कंपनी एक पूरी तरह एकीकृत डिजिटल हेल्थकेयर पर्यावरण बनाना चाहती है, जहाँ सेंसर उपकरणों से मेल खाते हों, और फिर कई कनेक्टिविटी समाधान का उपयोग करके Philips HealthSuite क्लाउड समाधान में एकीकृत किया जाए और गहन डेटा विश्लेषण की अनुमति दी जाए।

स्रोत: Philips

एक MedTech उद्योग आपूर्तिकर्ता के रूप में, अक्सर अन्य ब्रांडों के लिए निर्माण करता है, Philips इस क्षेत्र में अन्य प्रमुख कंपनियों जितना दिखाई नहीं देता। हालांकि, यह उच्च‑प्रदर्शन इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और सेंसर बनाने में विशेषज्ञ है, और अक्सर स्वास्थ्य देखभाल और वियरेबल्स के अपने विशिष्ट क्षेत्र में संभावनाओं की सीमाओं को आगे बढ़ाता है।

जैसे-जैसे वियरेबल्स और मेडिकल इलेक्ट्रॉनिक्स स्वास्थ्य देखभाल और चिकित्सा प्रोटोकॉल में अधिक एकीकृत हो रहे हैं, Philips का हेल्थकेयर सेक्शन समूह का हिस्सा बनते हुए संभवतः बढ़ेगा।

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अध्ययन संदर्भ:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging. Advanced Materials. Volume37, Issue19. 12 मई 2025}