سیستم‌های قابل کاشت در بدن

برای سال های متوالی، بیماریهایی که درمان قطعی آنها از طریق دارو میسر نبود مشکلات زیادی برای بیماران مبتلا به آن ایجاد کرده بود. در سالهای اخیر، با پیشرفت صنعت الکترونیک تحول عظیمی در بهبود این بیماریها به وجود آمده است. سیستمهای الکترونیکی که به سیستمهای پزشکی قابل کاشت در بدن معروف هستند، با استفاده از ثبت سیگنالهای عصبی و تحریک نقاط مختلف بدن به بهبود آن بیماری کمک میکنند . هم چنین در ۶۰ سال اخیرسیستمهای پزشکی قابل کاشت در بدن، پیشرفت چشمگیری در ثبت و تحریک به وسیله مخابرات بیسیم داشته است . امروزه سیستم های پزشکی قابل کاشت در بدن برای اهداف مختلفی طراحی میشوند. از این سیستم ها میتوان برای بهبود عملکرد بینایی ، کنترل بیماری صرع ، کنترل ضربان قلب ، بهبود عملکرد شنوایی ، بهبود حرکت بیماران دچار ضایعه نخاعی ، ثبت سیگنال های عصبی و مغزی و کاهش و کنترل درد استفاده کرد. در شکل ‏۱ برخی از قسمتهای مختلف سیستم‌های قابل کاشت در بدن نشان داده شده است . علاوه بر این، سیستم‌های قابل کاشت در بدن به صورت خودکار و بنا به تغییر شرایط بیمار عمل می کنند و وابسته به قسمت خارجی سیستم نیستند . یکی از موضوعات مهم در سالهای اخیر کاهش توان مصرفی و افزایش نرخ اطلاعات به منظور افزایش بهره وری سیستم‌های کاشت در بدن بوده است. به طور کلی سیستم‌های قابل کاشت در بدن از دو قسمت کلی تشکیل شده است: قسمت داخلی که در زیر پوست قرار دارد و قسمت خارجی که بیرون از بدن قرار دارد. قسمت خارجی به منظور فراهم ساختن توان کل مدار و هم چنین ارسال اطلاعات استفاده می شود . سیستم داخلی شامل بخش ثبت سیگنال های عصبی، بخش گیرنده اطلاعات از بیرون بدن که شامل یکسوکننده، تثبیت‌کننده، دمدولاتور، بخش تحریک کننده، بخش دورسنجی معکوس و بخش کنترل برای ارتباط بین قسمتهای مختلف تشکیل شده است. سیستم داخل و خارج بدن توسط لینک القائی به یکدیگر ارتباط پیدا میکنند. این ارتباط میتواند برای انتقال بیسیم توان و اطلاعات صورت گیرد.

شکل ‏(۱) : برخی از قسمتهای مختلف سیستم‌های قابل کاشت در بدن

شاید پربیراه نباشد اگر مدعی شویم که همین آمال باعث شد تا بشر دست به طراحی سیستمهای قابل کاشت پزشکی بزند. سیستمهای قابل کاشت پزشکی، ابزارهای الکترونیکی هستند که توانایی نظارت بر فعالیتهای بدن و تشخیص بیماری ها را از طریق انجام اعمال الکترومیوگرافی، الکتروکاردیوگرام، الکترورتیوگرام و الکتروکلوگرافی دارا می باشند . بهزبان سادهتر وظیفه این سیستم ها ثبت فعالیت ها و تحریک اعصاب بافت ها میباشد. نخستین ایده شکل گیری این سیستمها به سالها قبل، زمانی در حدود قرن شانزدهم میلادی بازمیگردد. برای نخستین بار پزشک ایتالیایی لوئیجی گالوانیدر سال ۱۷۸۰ نشان داد که اعصاب و ماهیچه های بدن به صورت الکتریکی قابل تحریک هستند . نسخه های ابتدایی تحریککننده های عصبی به دلیل دارا بودن مولفه های مکانیکی غالبا بسیار بزرگ و حجیم بودند و تنها در اختیار محققان قرار داشتند. از زمانیکه نخستین تحریک کننده الکتریکی به طور کامل در سال ۱۹۳۲ توسط اشمیت ارائه گردید ، دانشمندان و مهندسین همواره در حال تلاش برای ساخت نمونه های پیشرفته تری از این سیستم ها بودهاند. لذا محققین همواره در تلاش بودهاند تا نسخه هایی قابل حمل، با ایمنی و تطبیق پذیری بیشتر ارائه دهند. یکی از موفق آمیزترین نمونه های این سیستمها، دستگاه تنظیم کننده ضربان قلبی بود که توسط باکن در سال ۱۹۵۷ ارائه شد . به دنبال موفقیت این سیستم استفاده از آن در بین بیماران قلبی بسیار سریع رایج شد. در طول دهه پنجاه کاشت حلزون شنوایی برای ناشنوایان نیز توجه محققین زیادی را به خود جلب کرد. در سال ۱۹۷۳ ویدئویی در نشست American Otological Society نمایش داده شد که در آن نشان میداد چگونه یک فرد ناشنوا که از کاشت حلزون شنوایی استفاده میکند قادر است تا آهنگ و گامی را که توسط یک دستگاه موسیقی نواخته می شود درک کند.

به دنبال نمایش این فیلم میزان رغبت به انجام مطالعات در زمینه کاشت حلزون شنوایی افزایش یافت و سرانجام این سیستم به تولید انبوه تجاری رسید. در ادامه ساخت سیستمهایی نظیر تنظیم کننده ضربان قلب و کاشت حلزون شنوایی، نخستین تحقیقات بر روی ساخت پروتزهای بینایی برای نابینایان در سال ۱۹۶۸ توسط بریندلی و لوین آغاز شد. پس از ۴۵ سال تحقیق و مطالعه سرانجام در سال ۲۰۱۳، نخستین پروتز بینایی قابل کاشت مورد تایید سازمان غذا و داروی آمریکا قرار گرفت و به تولید انبوه رسید . علاوه بر کاربردهایی که در بالا اشاره شد، تحریک کننده های الکتریکی در سطح وسیعی برای بهبود عملکرد سیستم اعصاب پیرامونی در FES به کار میروند. از این سیستمها همچنین برای متوقف کردن درد یا اختلالات حرکتی در SCS و تحریک عمقی مغز استفاده می شود. استفاده از تحریک عمقی مغز، FES و SCS در پزشکی تاریخچه طولانی دارد و امروزه تجهیزات متنوع تجاری برای این منظور در اختیار کاربران می باشد. البته انواع قابل کاشت این سیستم ها همچنان در دست توسعه می باشد .

امروزه سیستم های قابل کاشت پزشکی دارای کاربردهای مختلفی می باشند. از این تراشه ها به طوروسیعی در کنترل و درمان بیماری ها استفاده می‌شود. از سیستمهای قابل کاشت در دستگاه های تنظیم کننده ضربان قلب ، برای بررسی ترکیبات خون ، برای بهبود شنوایی و بینایی، ثبت سیگنالهای مغزی و یا تحریک نرون های عصبی ، تسریع عملکرد عضلات و آسیبهای نخاعی و کنترل درد استفاده می گردد. سیستمهای قابل کاشت براساس کاربرد به دو گروه اساسی تقسیم می گردند؛ گروهی که برای ثبت عملکرد نرون های عصبی به کار میروند و گروهی دیگر که برای تحریک اعصاب طراحی شده اند. در شکل(۲) یک سیستم قابل کاشت پزشکی نشان داده شده است. این سیستم ۶۴ کاناله برای ثبت اطلاعات نرون های مغز طراحی شده است. این امکان وجود دارد که یک سیستم همزمان کار ثبت و تحریک را با هم انجام دهد. عموما سیستم های قابل کاشت پزشکی دارای دو بخش هستند؛ بخش داخلی که در زیر پوست بدن قرار دارد و بخش خارجی. بخش خارجی وظیفه تامین توان و ارسال اطلاعات به بخش داخلی را برعهده دارد . واحد خارجی براساس کاربرد عموما شامل بخش هایی جهت پردازش، ارسال و دریافت داده های اطلاعاتی (مدولاتور، دمدولاتور و کنترلر) و بخش انتقال توان (تقویت کننده توان و کویل) می باشد. به همین ترتیب واحد داخلی شامل بخش دریافت توان (کویل، یکسوکننده و رگولاتور)، بخش دریافت اطلاعات (دمدولاتور)، بخش ارسال دادههای اطلاعاتی (مدولاتور)، بخش کنترلر و الکترودهای الکتریکی میباشد. برای بهبود بازده غالبا بخش داخلی به صورت یک مدار مجتمع طراحی می گردد. به همین دلیل از بخش داخلی عموما تحت عنوان تراشه های قابل کاشت در مراجع یاد می شود.