ایمپلنت های پزشکی هوشمند 1

ایمپلنت های پزشکی هوشمند چیست؟

ایمپلنت های هوشمند نوعی از دستگاه های پزشکی هستند که از فناوری هوشمند نه تنها برای درمان بیماری های مختلف بلکه برای شناسایی و تشخیص آنها استفاده میکنند. ایمپلنت های پزشکی هوشمند به گونه ایی طراحی شده اند که با بدن یکپارچه میشوند و داده های در لحظه را هم به بیمار و هم به پزشک معالج آنها ارائه میدهند. ایمپلنت‌های پزشکی هوشمند و دستگاه‌های ارتوپدی هوشمند به سرعت در حال رشد هستند که احتمالاً به توسعه خود ادامه میدهند و با گذشت زمان به طور فزاینده‌ای پیچیده و مؤثر خواهند شد.

انواع ايمپلنت‌هاي هوشمند

در حال حاضر انواع ايمپلنت‌هاي هوشمند توسط محققان و متخصصان علم جراحي طراحي شده و به کار گرفته ميشوند. ايمپلنت‌هاي دندان از جمله مهمترين تجهيزات کاشتني پزشکي در ساليان اخير بوده‌اند اما در بسياري از موارد اين ايمپلنت‌ها دچار عفونت در لثه ميشوند. ايمپلنت‌هاي هوشمند دارو رسان نيز امروزه در جراحي‌هاي بزرگ و پيشرفته توسط پزشکان به کار گرفته ميشوند. دانشمندان ايراني با استفاده از آلياژ تيتانيوم موفق به ساخت ايمپلنت‌هاي ضدباکتريايي و هوشمند براي بافت‌هاي استخواني آسيب ديده شده‌اند. اين ايمپلنت‌ها با استفاده از الگوريتم‌هاي هوش مصنوعي ساختار خود را متناسب با بدن بيمار تغيير ميدهند.

ايمپلنت دندان هوشمند

در حالي که اکثر توسعه دهندگان ارتوپدي بر بهبود تکنولوژي‌هاي فعلي متمرکز هستند، تعداد کمي از آن‌ها به فکر ساخت ايمپلنت‌هاي ارتوپدي هوشمند آينده هستند. اين امر از طريق پيشرفت‌هاي فناوري نانو، آکوستيک، رايانه، تکنولوژي ميکرو تراشه و ساير زمينه‌ها امکان پذير است. محققان اين تکنولوژي را براي ترکيب ويژگي‌هاي افزوده شده در ايمپلنت‌هاي معمولي که برخي از اين مشکلات را در هنگام بروز مشکل مطرح ميکنند، مورد استفاده قرار ميدهند که در صورت استفاده از اين محصول هر گونه اختلالي در اطراف ايمپلنت دندان تشخيص داده شده و در صورت ناموفق بودن ايمپلنت، نشان داده ميشود. با اين حال محققان پيش بيني مي‌کنند که داشتن يک ميکروچاپ هر گونه حرکت را تشخيص داده و برخي از نشانه‌ها را ارائه مي‌دهد و در صورت وجود اختلال به بيمار يا دندانپزشک هشدار ميدهند.

سنسورهاي هوشمند بر روي سطح دندان گذاشته ميشود تا موجودات عفوني را در مجاورت دندان‌ها تشخيص بدهند و در صورت بروز اختلال، آنتي بيوتيک لازم به ارگانيسم‌ها تزريق شود. دستگاه‌هاي هوشمند موجود براي ديگر اعضا بدن ميتوانند دما، PH، سطح قند خون و فعاليت الکتريکي قلب و نيروهاي مشترک را حس کنند.

ايمپلنت الکترونيک ديسک

(E Disc (Theken Disc LLC

ايمپلنت الکترونيک ديسک، يک ابزار جايگزيني ديسک کل دندان تيتانيوم است و با توانايي سنجش توان نيروي الکترونيکي ساخته شده است و به توانايي سنجش اينکه «بيماران هر چيزي غير طبيعي را انجام بدهند يا خير»، به طور قابل توجهي کمک ميکنند. ايمپلنت دندان، که در حال نزديک شدن به آزمايشات باليني است، بر روي يک باتري قابل شارژ اجرا ميشود. بارگيري توسط ستون فقرات، الکترونيک بي‌سيم داخلي آن را انتخاب ميکند. سپس داده‌ها ضبط شده، ذخيره و تجزيه و تحليل ميشوند.

کنترل عصب‌هاي مغز با ايمپلنت هوشمند

دانشمندان واحد بيوشيمي دانشگاه آريزونا موفق به طراحي يک ايمپلنت هوشمند مبتني بر اينترنت اشيا شده‌اند. آن‌ها توانسته‌اند با استفاده از تکنيک Optogenetics و با کمک جريان نور، بخش‌هايي از عصب‌هاي مغز را تحريک کنند. اين شيوه براي بازگرداندن حرکت به اندام‌هايي که براثر سکته، فلج شده‌اند مؤثر است. دانشمندان اميدوارند بتوانند از اين ايمپلنت هوشمند براي کاهش درد در بيماري‌هاي مزمن و همچنين درمان برخي از ضايعات مغزي، نخاعي بهره ببرند.

در شيوه Optogenetics دانشمندان يک پروتئين مخصوص به نام Opsins را در درون يک ايمپلنت هوشمند جاسازي ميکنند. اين پروتئين با فراميني که از بيرون دريافت ميکند جريان نور را به صورت هدفمند به سمت نورون‌هاي مغزي ارسال ميکند. تا پيش از ابداع اين شيوه، دانشمندان با استفاده از فيبرهاي نوري و باطري‌هاي يکبار مصرف امکان کنترل نورون‌هاي مغزي را داشتند. شيوه قبلي بسيار پرهزينه و با ريسک بالا بود. معمولاً در شيوه فيبر نوري دستگاه در خارج از جمجمه سر قرار ميگرفت. بنابراين امکان کنترل دقيق فرکانس يا شدت نور وجود نداشت به همين دليل پزشکان تنها ميتوانستند در هر لحظه تنها بخش کوچکي از عصب‌ها را تحريک کنند.

تکنولوژي جديد به پزشکان امکان کنترل بيشتر بر عصب‌ها را خواهد داد. اين در حالي است که اين ايمپلنت هوشمند بسيار کوچک است و به آساني زير پوست سر قرار مي‌گيرد. اين ايمپلنت با کمک پروتئين موجود در درون خودش به انتشار فرکانس‌هاي نوري مد نظر پزشکان مي‌پردازد. پزشکان مي‌توانند با کمک ارتباطي که با ايمپلنت هوشمند برقرار مي‌کنند به کنترل شدت نور بپردازند و تنها محدوده مشخصي از عصب‌هاي مغزي را تحريک کنند. اين کنترل مناسب باعث مي‌شود تا جلوي حرکت تصادفي نورون‌ها گرفته شود. ايمپلنت طراحي شده دو آنتن بسيار کوچک دارد که مي‌توان به وسيله آن‌ها به راحتي جريان سيگنال‌هاي مغزي را دريافت کرد. انرژي اين ايمپلنت هوشمند با استفاده از ميدان‌هاي مغناطيسي ايجاد مي‌شود. بنابراين انرژي آن به سرعت تمام نمي‌شود و تا حدود ۱۵ سال بدون هيچ مشکلي در بدن بيمار باقي مي‌ماند. اين ويژگي بيمار را از جراحي‌هاي حساس و تعويض مستمر ايمپلنت بي‌نياز مي‌‌کند.

ايمپلنت‌هاي هوشمند جايگزين تزريقات دردناک

استفاده از ايمپلنت‌هايي که انرژي مورد نياز خود را به وسيله سلول‌هاي مهندسي‌ساز تأمين مي‌کنند، يکي از روش‌هاي نوين براي مصرف دوزهاي دارويي در بيماري‌هاي مزمن محسوب ميشود. مبتلايان به ديابت يا بيماران دچار کم خوني خطرناک نيازمند مديريت برنامه تزريقات روزانه هستند. ايمپلنت‌ها قادر به نظارت بر مواد سمي درون بدن به صورت لحظه‌اي هستند، داده‌هاي طولاني مدت از وضعيت سلامت فرد تهيه مي‌کنند، هشدار لازم جهت مصرف به موقع داروها را اعلام کرده و حتي روند مصرف داروها را مديريت کنند. محققان دانشگاه تورنتو با همکاري محققان دانشگاه هاروارد به دنبال توسعه ايمپلنت‌هايي از جنس هيدروژل (يک ماده پليمري سازگار با بافت) هستند.

نسل جديد اين ايمپلنت‌ها که از جنس پليمر شفاف هستند سلول‌هاي ژنتيکي دستکاري شده‌اي در درون خود دارند که در واکنش به نور فعال مي‌شوند؛ سلول‌ها ميتوانند براي آزاد کردن مواد شيميايي درون بدن برنامه ريزي شوند. ابعاد هر ايمپلنت هيدروژل ۴ در ۴۰ ميليمتر و ضخامت آن تنها يک ميليمتر است که هر ايمپلنت با سلول‌هاي مهندسي‌ساز به نور پاسخ ميدهد. ايمپلنت جديد در دو روش انتقال دوز انسولين و آشکارساز مواد سمي مورد آزمايش قرار گرفتند. سيستم انسولين بر روي موش‌هاي مبتلا به ديابت مورد آزمايش قرار گرفت و با ارسال نور آبي از طريق فيبر نوري به ايمپلنت، سلول‌ها درون ايمپلنت وادار به توليد يک پروتئين براي تحريک توليد انسولين شدند. براي تشخيص سموم نيز سلول‌هاي مهندسي‌ساز در حضور فلزات سنگين نور سبز منتشر ميکنند. آزمايشات مختلفي براي توسعه و کاربردي شدن ايمپلنت‌هاي هوشمند مورد نياز است.

ايمپلنت دندان الکترومغناطيسي

ايمپلنت دندان الکترومغناطيسي هوشمند حساس به سنسور با جاي‌ گذاري سنسورهاي هوشمند بر روي سطح دندان موجودات عفوني را در مجاورت دندان‌ها تشخيص ميدهد و در صورت بروز اختلال آنتي بيوتيک لازم را به ارگانيسم‌ها تزريق ميکند.آنتي‌بيوتيک ها شروع به کار کرده و توسط يک قطره PH محيط شيمي در پروتز، هر گونه اختلالي را تشخيص ميدهند.

فناوري دنداپزشکي Magdent جهت ادغام و رشد سريع استخوان

Magdent، فرم جديدي از درمان ايمپلنت است که از فرستنده‌هاي الکترومغناطيسي براي سرعت بخشيدن به فرآيند استفاده مي‌کند. کاشت دندان ايمپلنت شده به صورت سنتي، در طي پروسه 9 ماهه انجام مي‌شود تا ايمپلنت به بهبودي کامل برسد اما با روش جديد ايمپلنت دندان مگدنت، اين مدت زمان مي‌تواند تا 70 درصد کاهش يابد. دستگاه الکترومغناطيس مينياتور (MED) شامل يک کلاه باطري محور است که در بالاي پست ايمپلنت دندان قرار ميگيرد و انرژي الکترومغناطيسي پالس را منتشر ميکند که امکان ادغام سريع‌تر استخوان و تقويت استخوان‌هاي اطراف را فراهم ميکند. ميدان‌هاي الکترومغناطيسي پالس پيشتر نشان داده‌اند که به روند بازسازي استخوان کمک ميکنند و جريان خون و اکسيژن سازي بافت را بهبود ميبخشند.

ايمپلنت اتصال مغز به رايانه

شرکت نورولينک ايمپلنت مغزي آماده مي‌کند که مغز انسان را به رايانه متصل مي‌کند. اين فرايند شامل برداشتن تکه‌اي از جمجمه است. در مرحله بعد ربات‌ها، الکترودهايي که شبيه رشته‌هايي بسيار باريک هستند را در مغز فرد قرار مي‌دهند. پس از اين مراحل، تنها جاي زخم کوچکي روي سر فرد باقي مي‌ماند.

اين فناوري در حال حاضر بر روي انسان‌ها آزمايش نمي‌شود اما آزمايش‌هايي در آينده بر روي انسان‌ها انجام خواهد شد. اين دستگاه حدود يک اينچ و مشابه يک ساعت هوشمند است. اين شرکت رشته‌هاي انعطاف پذير کوچکي طراحي مي‌کند که ۱۰ بار نازک‌تر از موي انسان هستند. هدف اين فرايند درمان جراحت‌ها و تروماي مغزي است. مؤسس نورولينک همچنين اعلام کرد که مي‌توان تا ۲۵ سال ديگر اين فناوري را به يک سيستم اتصال به کل مغز توسعه داد و به اين ترتيب همزيستي ميان انسان و هوش مصنوعي به وجود آورد.

ابداع ايمپلنت هوشمند براي بيماران آلزايمري

پژوهشگران دانشگاه صنعتي سهند تبريز، موفق به ابداع ايمپلنت هوشمند و روشي نوين براي بيماران آلزايمري شدند. اين پژوهشگران موفق به ابداع ايمپلنت هوشمند کورديناتور اعضاي داخلي بيماران آلزايمري و ابداع روشي جديد جهت افزايش عمر مفيد اين بيماران شدند و در همين راستا جايزه ويژه جشنواره بين‌المللي خيام (International Festival on Top Scientific Researches Khayyam Award) را دريافت کردند.

متاسفانه در هر ۳ ثانيه، يک نفر در جهان و هر ۷ دقيقه، يک نفر در ايران به بيماري آلزايمر مبتلا مي‌شود. اين بيماري با اينکه مسري نيست اما با سرعت بسيار بالايي در سطح جهاني به صورت پاندمي در حال افزايش است، به طوري که امروزه حدود ۶۰ ميليون نفر در جهان به اين بيماري مبتلا هستند.

اين بيماري به دليل اثرگذاري بر روي قسمت‌هاي مغزي و عصبي، به مرور باعث ايجاد اختلالات شديد در تمامي قسمت‌هاي فرمان بر از مغز، به خصوص تکلم، تنفس، بلع، سيستم گردش خون و مهارت‌هاي شناختي مي‌شود که مي‌توانند مرگبار باشند؛ اختلالات متعدد پيش آمده، در نهايت منجر به مرگ زود هنگام بيمار مي‌شوند. با ابداع ايمپلنت هوشمند و روش ابداعي، سعي بر جلوگيري از وقوع اختلالات مذکور در بدن فرد بيمار، افزايش طول عمر و جلوگيري از مرگ زود هنگام بيمار است.

کاهش جراحي‌هاي زانو با استفاده از ايمپلنت‌هاي هوشمند

محققان دانشگاه بينگهمتون نيويورک ايمپلنت‌هاي هوشمندي را طراحي کردند که قادرند ميزان فعاليت بيمار را به صورت لحظه‌اي تحت نظر قرار دهند. اين ايمپلنت‌هاي هوشمند مجهز به حسگرهاي دروني هستند که ميزان فشار وارد شده بر ايمپلنت را اندازه گيري مي‌کنند و امکان واکنش و تغيير سريع حرکات را به منظور جلوگيري از آسيب ديدگي ايمپلنت براي بيماران فراهم مي‌کنند.

بدين ترتيب پزشکان نيز مي‌توانند مناسب‌ترين تمرينات ورزشي و فعاليت‌ها را براي هر يک از بيماران مشخص کنند. محققان براي اجتناب از به کارگيري باتري براي تأمين توان حسگرها، يک مکانيزم جايگزين طراحي کرد‌ه‌اند که توان مورد نياز ايمپلنت را از حرکت بيمار تأمين مي‌کند. در اين مکانيزم از الکتريسيته مالشي استفاده مي‌شود که از اصطکاک حاصل مي‌شود. به محض اين که شخص راه مي‌رود، اصطکاک حاصل از مالش ميکرو سطوح به يکديگر توان مورد نياز حسگر را تأمين مي‌کند. جراحي ايمپلنت زانو متداول‌ترين جراحي جايگزيني مفاصل است و بسياري از اين موارد جراحي مربوط به جايگزيني ايمپلنت‌هاي فرسوده است. محققان اميدوارند با ترکيب حسگرها و سيستم تأمين توان مالشي، طول عمر ايمپلنت‌هاي زانو را افزايش داده و تعداد جراحي‌هاي لازم براي جايگزيني ايمپلنت‌ها را کاهش دهند.

ايمپلنت هوشمند براي کمر درد

کارشناسان به تازگي نوعي ايمپلنت به شکل گلوله تفنگ از جنس تيتانيوم به نام (Minteman) طراحي کرده‌اند که مي‌تواند مشکل کمر درد بسياري از افراد را برطرف کند. اين شيوه درماني اکنون به روش تجربي در برخي بيمارستان‌ها در کشور انگلستان بر روي بيماران در حال انجام است. ايمپلنت به پايين ستون مهره‌ها متصل مي‌شود و موجب حمايت از آن‌ها و کاهش فشار بر روي اعصاب مي‌شود. ايمپلنت درماني بسيار کوچکي است و نصب آن به صورت سرپايي انجام مي‌‌شود و بيمار در همان روز از بيمارستان مرخص ‌مي‌شود. نحوه اتصال آن نيز به شکلي است که تنها برشي کوچک در کنار ستون مهره‌ها ايجاد شده و ايمپلنت در آنجا نصب مي‌شود. کارشناسان اعلام کرده‌اند اين روش کارايي بسيار بيشتري نسبت به روش جراحي تهاجمي ستون مهره‌ها دارد. در روش‌ تهاجمي، افزون بر ريسک جراحي، بيمار پس از عمل نياز به مراقبت طولاني دارد و براي مدت‌ها قادر به حرکت نيست.

اين دستگاه براي درمان وضعيتي به نام باريک شدن کانال نخاعي به کار مي‌رود، در اثر اين بيماري يک يا چند مهره کمر آسيب مي‌بينند که درنتيجه آن فشار زيادي به اعصاب موجود در ستون مهره‌ها وارد مي‌شود و فرد دچار احساس درد شديد در کمر و حتي پاهاي خود مي‌شود. از جمله علت‌هاي بروز اين مشکل، استئوآرتريت (آرتروز)، ابتلا به ديسک کمر، رشد تومور درمحل ستون مهره‌ها و شکستگي‌هاي نخاعي است. آمارها نشان مي‌دهند حدود ۹۵ درصد از افراد بالاي ۵۰ سال دچار کمر درد هستند که از اين تعداد ۱۰ درصد دچار کمر درد بسيار شديد هستند که در بسياري موارد راهکار درماني جراحي است. کارشناسان اعلام کرده‌اند کمر درد يکي از دلايل اصلي ناتواني و معلوليت در جهان است. از هر ۱۰ زن و مرد يک نفر دچار کمر درد هستند که تعداد بيشتري را بانوان تشکيل مي‌دهند؛ کمر درد سبب از دست دادن کار و افت کيفيت زندگي در افراد در جوامع مختلف مي‌شود. درمان متعارف کمر درد، انجام فيزيوتراپي براي رفع فشار وارده بر کمر، استخوان و بافت‌هايي است که بر روي اعصاب قرار دارند. جراحي نيز يکي ديگر از راهکارهاي درماني است اما اين شيوه‌هاي درماني هميشگي نيستند و احتمال بازگشت بيماري وجود دارد. ايمپلنت درماني به تدريج سبب بسته شدن شکاف موجود در ستون مهره‌ها و برطرف شدن درد مهره‌هاي کمر مي‌شود. اين شيوه درماني تا کنون بر روي ۲۰ بيمار انگليسي و ۹۵۰ بيمار در سراسر جهان انجام شده است.

ايمپلنت هوشمند ضد باکتري نانوساخت

در سال‌هاي اخير با افزايش تقاضاي بافت‌هاي مصنوعي، آلياژهاي مقاوم زيست سازگار پايه تيتانيوم به طور گسترده‌اي جهت کاربردهاي پزشکي استخواني و دنداني درون کاشت مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اين دسته از مواد خواص مکانيکي، زيستي، سايشي و خوردگي بالاتري در مقايسه با ديگر آلياژهاي قابل استفاده رايج در صنعت ايمپلنت‌هاي فلزي دارند و همچنين از نظر عملکرد و جنبه‌هاي اقتصادي نسبت به نوع عناصر ترکيب شده، توجيه پذير هستند. در اين پروژه، از آلياژ مقرون به صرفه زيست فعال مقاوم تيتانيومي (Ti67) با ساختار فازي نزديک به بتا به عنوان زير لايه ايمپلنت استفاده شده است. اين دسته مواد هم براي تأمين عملکرد کلي مطلوب و جايگزيني دراز مدت بافت استخوان نيازمند اصلاح ساختاري سطح با مقاومت بالاي خوردگي هستند. از اين رو، سطح ايمپلنت با ساختار نواورانه چند لايه فلزي-سراميکي-کربني نانو پوشش دهي شده و از الگوريتم هوش مصنوعي ذرات در بهينه‌سازي پارامترهاي ساخت استفاده ‌مي‌شود. سيستم کامپوزيت-ايمپلنت هوشمند معرفي شده داراي قابليت بالاي استحکام، کنترل تکثير باکتري، رشد طبيعي بافت استخوان، رسانش دارو و تجاري سازي است.

ساخت ايمپلنت هوشمند با قابليت جلوگيري از تشنج

گروهي از محققان استراليايي سيستم قابل‌ کاشت کنترل و تشخيص تشنجي توسعه داده‌اند که مجهز به هوش مصنوعي است. اين ايمپلنت که مانع از وقوع اختلالات تشنجي مي‌شود براي بيماراني طراحي شده که عمل جراحي رفع فشار مغز انجام داده‌اند.

اين ايمپلنت با استفاده از راه ارتباطي بي‌سيم، اطلاعات جمع‌آوري‌ شده را در اختيار پزشک قرار مي‌دهد. کنترل و بررسي فعاليت مغزي پس از جراحي رفع فشار مغزي براي سلامت بيمار حياتي است چرا که تشنج به صورت مداوم اتفاق مي‌افتد و مي‌تواند منجر به صرع شود.

شناسايي و تشخيص تشنج‌ها با استفاده از روش‌هاي کنترل و بررسي فعلي کار بسيار دشواري به شمار مي‌رود. در حال حاضر از دستگاه‌هاي بزرگ براي کنترل وضعيت بيمار پس از جراحي استفاده مي‌شود که تصوير مختصري از فعاليت مغزي را نشان مي‌دهند. در روش جديد، به لطف راه ارتباطي بي‌سيم، پزشکان مي‌توانند وضعيت مغز بيمار را به صورت مداوم و بي‌درنگ کنترل کنند.