เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ใหม่ช่วยขับเคลื่อนอุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์แบบไร้สาย

ความท้าทายของการขับเคลื่อนอุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์ขั้นสูง

การปรับปรุงร่างกายมนุษย์หรือการทดแทนส่วนที่ชำรุดเป็นเป้าหมายของวงการแพทย์มาตั้งแต่สมัยที่อวัยวะเทียมแบบหยาบๆ ในยุคโบราณ เมื่อส่วนประกอบทางกลไกมีความซับซ้อนมากขึ้น แนวคิดในการทดแทนส่วนต่างๆ ของร่างกายก็ได้รับความนิยมมากขึ้นในหมู่ผู้ที่ชื่นชอบนิยายวิทยาศาสตร์ จนนำไปสู่แนวคิดเรื่องไซบอร์ก ซึ่งก็คือมนุษย์ครึ่งมนุษย์ครึ่งเครื่องจักร

ในระดับหนึ่ง เราอาจโต้แย้งได้ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นแล้ว โดยการผ่าตัด เช่น การฝังเครื่องกระตุ้นหัวใจหรือการผ่าตัดสะโพก ถือเป็นเรื่องปกติ และการเสริมปัญหาที่กล้ามเนื้อหัวใจหรือการเคลื่อนไหวของผู้ป่วย โดยปรับปรุงปัญหาเหล่านี้ด้วยการฝังโลหะ

เนื่องจากการปลูกถ่ายระบบประสาทและอุปกรณ์ทางการแพทย์ขั้นสูงอื่นๆ เริ่มกลายเป็นความจริงในทศวรรษหน้า เราจึงเข้าใกล้การสร้างร่างกายไซเบอร์เนติกส์ที่แท้จริงมากกว่าที่เคย

อย่างไรก็ตาม ยังคงมีปัญหาที่เกิดขึ้นซ้ำๆ กับอุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์ส่วนใหญ่ นั่นคือ แหล่งจ่ายไฟ เครื่องกระตุ้นหัวใจต้องใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็กมาก เนื่องจากต้องการพลังงานในระดับจำกัด แต่อุปกรณ์ปลูกถ่ายเช่นชิปประสาทอาจต้องใช้พลังงานมากกว่านั้นมาก

วิธีการชาร์จแบบไร้สายแบบดั้งเดิม เช่น การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและระบบที่ใช้ความถี่วิทยุที่ใช้กันทั่วไปในสมาร์ทโฟนและหูฟัง เผชิญกับความท้าทายหลายประการ

อาจมีความเสี่ยงต่อปัญหาต่างๆ เช่น ระยะการส่งสัญญาณสั้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำในเนื้อเยื่อทางชีวภาพ และความเสี่ยงต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

วิธีการอื่นอาจเป็นไปได้ ตามผลงานของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเกาหลี สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเกาหลี (KIST) มหาวิทยาลัยซองกยุนกวัน (SKKU – เกาหลีใต้) มหาวิทยาลัยยอนเซ (เกาหลีใต้) และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

พวกเขาพัฒนาวิธีการชาร์จอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบไร้สายโดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แทน พวกเขาได้เผยแพร่การค้นพบของพวกเขาใน Advanced Materials¹ภายใต้ชื่อ “เครื่องรับอัลตราซาวนด์แบบปรับรูปร่างร่างกายสำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายที่มีประสิทธิภาพและเสถียรในการชาร์จผ่านผิวหนังในระดับลึก"

เหตุใดพลังงานไร้สายจึงไม่สามารถทะลุผ่านเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้

อุปกรณ์การแพทย์แบบฝังอิเล็กทรอนิกส์ (IMD) ใช้ในการรักษาโรคหรือการบาดเจ็บ เช่น การบำบัดด้วยการกระตุ้นประสาท และการบำบัด/การตรวจติดตามระบบหัวใจและหลอดเลือด

พวกเขาจำเป็นต้องได้รับการผ่าตัดเป็นประจำเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ ซึ่งอาจทำให้เกิดภาวะแทรกซ้อนต่อผู้ป่วย เช่น การติดเชื้อบริเวณแผลผ่าตัด การก่อตัวของไบโอฟิล์ม และค่าใช้จ่ายด้านการรักษาพยาบาลที่สูง

มีวิธีการบางอย่างที่ใช้พลังงานแวดล้อมในร่างกาย เช่น พลังงานน้ำตาลในเลือด เพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์เหล่านี้

สำหรับแอปพลิเคชั่นบางประเภท ความต้องการด้านพลังงานทำให้ตัวเลือกดังกล่าวไม่สมจริง สำหรับแอปพลิเคชั่นในอนาคต เช่น การฝังประสาทเทียม วิธีนี้มีแนวโน้มที่จะใช้งานได้น้อยลง ซึ่งจะทำให้การฝังประสาทเทียมมีผลกระทบมาก

การถ่ายโอนพลังงานระยะไกลด้วยระบบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นวิทยุมีผลกระทบไม่ดีต่อเนื้อเยื่อของร่างกายและอาจทำให้เกิดผลข้างเคียงที่ไม่พึงประสงค์ได้

การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ไม่เหมาะสมเนื่องจากปัญหาการทะลุผ่านของแสงน้อยภายในเนื้อเยื่อและความเสียหายของเนื้อเยื่อจากความร้อน

ในทางตรงกันข้าม อัลตราซาวนด์เป็นคลื่นที่เนื้อเยื่อทางชีวภาพสามารถทนทานได้ดี และสามารถทะลุเข้าไปได้ลึกโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงมักใช้คลื่นอัลตราซาวนด์เพื่อการวินิจฉัย รวมถึงในสตรีมีครรภ์ด้วย

อัลตราซาวนด์ช่วยให้สามารถชาร์จอุปกรณ์ปลูกถ่ายแบบไร้สายได้อย่างไร

จากประวัติศาสตร์อันยาวนานของการใช้ในการวินิจฉัย อัลตราซาวนด์ได้รับประโยชน์จากการศึกษาทางการแพทย์จำนวนมากและมาตรฐานที่กำหนดระดับพลังงานที่ปลอดภัยของอัลตราซาวนด์ที่สามารถใช้ได้ (สำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา (FDA) กำหนดให้พลังงานสูงสุดคือ 0.72 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร)

อุปกรณ์สองประเภทที่สามารถแปลงอัลตราซาวนด์เป็นไฟฟ้าได้: พีโซอิเล็กทริก (US-PENGs) และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดนาโนไทรโบอิเล็กทริก (US-TENGs)

US-PENG ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ขับเคลื่อนอุปกรณ์ปลูกถ่ายอิเล็กทรอนิกส์ แต่โดยทั่วไปแล้วจะใช้เซรามิกพีโซอิเล็กทริกที่เป็นตะกั่ว ซึ่งมักจะแข็งและอาจก่อให้เกิดปัญหาความเป็นพิษได้

ซึ่งเป็นสาเหตุที่นักวิจัยจึงเน้นไปที่เทคโนโลยี US-TENG แทน

อุปกรณ์ที่เคลือบด้วยสารเข้ากันได้ทางชีวภาพนี้ มีความหนาเพียง 0.4 มม. ทำให้มีความหนาแน่นของประจุสูง เหมาะสำหรับการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความลึกถึงประมาณ 6 ซม. ที่ความเข้มของคลื่นอัลตราซาวนด์ที่ไม่รุกราน

มันทำงานอย่างไร

ฟิล์มโพลีเมอร์บางๆ ถูกนำมาใช้เพื่อสร้าง US-TENG ที่มีความยืดหยุ่นได้อย่างเต็มที่ โดยมีวัสดุพลาสติกหลายชั้นวางทับกันอยู่ โดยรวมถึงอะคริลิกหรือโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA)

ที่มา: วัสดุขั้นสูง

เพอร์ฟลูออโรอัลคอกซีอัลเคน (PFA) ถูกนำมาใช้เพื่อคุณสมบัติไตรโบอิเล็กทริกภายใต้พลังงานกล ชั้นอิเล็กโทรดขนาดนาโนถูกทับถมเพื่อรักษาคุณสมบัติเฉพาะตัวของฟิล์ม PFA

ชั้นโพลียูรีเทน (PU) ที่แข็งแรง โพลิไวนิลิดีนฟลูออไรด์-ไตรฟลูออโรเอทิลีน และแคลเซียมคอปเปอร์ไททาเนต (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) ยังถูกใช้เพื่อเพิ่มปริมาณการผลิตประจุไฟฟ้าสูงสุด

ที่มา: วัสดุขั้นสูง

การทดสอบเครื่องปลูกถ่ายที่ใช้พลังงานอัลตราซาวนด์ในสภาพแวดล้อมจริง

จากนั้นจึงหุ้มอุปกรณ์ทั้งหมดไว้ในสารละลายโพลีไดเมทิลซิโลเซน (PDMS) เพื่อกันน้ำ

US-TENG ที่มีความยืดหยุ่นนี้ได้รับการทดสอบประสิทธิภาพในน้ำ โพลิเมอร์/ไฮโดรเจล และเนื้อเยื่อหมู

การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติครั้งแรกคือการติดตั้งอุปกรณ์นี้ในเครื่องกระตุ้นหัวใจเพื่อไม่ต้องทำการผ่าตัดเพิ่มเติมเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ของอุปกรณ์อีกต่อไป

ที่มา: วัสดุขั้นสูง

ในขณะเดียวกัน ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของคอมโพสิต P(VDF-TrFE)/CCTO ในแง่ของความเป็นพิษต่อเซลล์และความเป็นพิษต่อพันธุกรรมได้รับการยืนยันแล้ว ซึ่งยืนยันว่าปลอดภัยในทางปฏิบัติเช่นเดียวกับที่งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้อ้างไว้

การผลิตพลังงานได้รับการวัดอย่างแม่นยำโดยใช้เครื่องวัดการสั่นสะเทือนแบบเลเซอร์ ซึ่งตรวจสอบการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์ ยืนยันถึงการเพิ่มขึ้น 44% ของ US-TENG เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีประเภทเดียวกันในเวอร์ชันล่าสุดที่มีการรายงาน

ที่มา: วัสดุขั้นสูง

ในที่สุดพวกเขาก็ได้ทดสอบประสิทธิภาพของระบบโดยขึ้นอยู่กับความเข้มของอัลตราซาวนด์ ระยะทาง และมุมของแหล่งกำเนิดอัลตราซาวนด์ โดยพิจารณาว่าสามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์การแพทย์ในร่างกายมนุษย์ในสภาวะที่สมจริงได้หรือไม่

ได้รับการยืนยันว่าความเข้มอัลตราซาวนด์ค่อนข้างต่ำ ระยะลึกถึง 4-8 เซนติเมตร (1.5-3 นิ้ว) และช่วงมุมที่ค่อนข้างกว้างสามารถใช้งานได้

ที่มา: วัสดุขั้นสูง

การรับประกันความยืดหยุ่นและความทนทานของชิ้นส่วนปลูกถ่ายทางการแพทย์

ความท้าทายอีกประการของอุปกรณ์การแพทย์ที่ปลูกถ่ายได้คือโดยหลักการแล้วอุปกรณ์เหล่านี้จะต้องมีความยืดหยุ่นสูง เนื่องจากร่างกายมนุษย์ไม่ใช่หุ่นยนต์ที่มีอวัยวะต่างๆ เคลื่อนไหว โดยเฉพาะกล้ามเนื้อหัวใจ

นี่คือสาเหตุที่นักวิจัยไม่เพียงแต่ใช้เฉพาะวัสดุที่มีความยืดหยุ่น แต่ยังวัดด้วยว่าวัสดุเหล่านั้นยังคงมีประสิทธิภาพเพียงพอเมื่อถูกดัดงอหรือไม่

ที่มา: วัสดุขั้นสูง

พวกเขาพบว่าการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นเล็กน้อยเมื่อถูกดัดไปในทิศทางหนึ่ง แต่ยังคงได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นเมื่อถูกดัดไปในทิศทางตรงกันข้าม การเพิ่มขึ้นของพลังงานที่เกิดขึ้นเกิดจากการดักจับคลื่นอัลตราซาวนด์ที่มากขึ้นในอุปกรณ์ทรงชามและการชนกันของคลื่นที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวของอุปกรณ์

สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์สามารถงอได้โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหายหรือสูญเสียคุณสมบัติในการสร้างพลังงาน

“จากการวิจัยครั้งนี้ เราได้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการส่งพลังงานแบบไร้สายโดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติได้”

เราวางแผนที่จะทำการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับการย่อขนาดและการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์เพื่อเร่งการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในทางปฏิบัติ”

ดร. Sunghoon Hur – นักวิจัยจาก KIST

ความคิดสุดท้าย: ขั้นตอนต่อไปสำหรับเทคโนโลยีการปลูกถ่ายอัลตราซาวนด์

อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่สามารถชาร์จแบบไร้สายได้จะเป็นการพัฒนาครั้งยิ่งใหญ่สำหรับผู้ป่วยหลายล้านคนทั่วโลก

วิธีนี้จะช่วยขจัดข้อจำกัดของแนวคิดการปลูกถ่ายที่ทะเยอทะยานมากขึ้น ซึ่งจนถึงขณะนี้ยังถูกจำกัดด้วยการขาดแหล่งพลังงานที่สมจริงเพียงพอสำหรับการทำงานดังกล่าว ซึ่งอาจรวมถึงการปลูกถ่ายเพื่อส่งยาเข้าสู่กระแสเลือดโดยตรง การตรวจสอบสารเคมีเฉพาะ การปลูกถ่ายระบบประสาท เป็นต้น

เทคโนโลยีการปลูกถ่ายนี้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างรวดเร็ว โดยมีความหนาเพียง 0.4 มม. มีความยืดหยุ่นสูง มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี และผลิตได้ง่าย โดยไม่ต้องใช้วัสดุพิเศษที่หายาก

เทคโนโลยีดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้นอกเหนือจากอุปกรณ์ทางการแพทย์ เนื่องจากสามารถนำไปใช้ชาร์จโดรนใต้น้ำได้อย่างง่ายดายโดยไม่ต้องสัมผัส จึงไม่จำเป็นต้องสร้างเครื่องชาร์จไฟฟ้ากันน้ำอีกต่อไป

การลงทุนใน HealthTech 

Koninklijke Philips NV

ฟิลิปส์เป็นแบรนด์สินค้าอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคขนาดเล็กที่มีชื่อเสียง (เครื่องโกนหนวด แปรงสีฟันไฟฟ้า) ซึ่งมีบทบาทในด้านการดูแลสุขภาพไม่แพ้แบรนด์อื่นๆ ตัวอย่างเช่น ฟิลิปส์เป็นแบรนด์ที่มีการยื่นจดสิทธิบัตรด้านเทคโนโลยีทางการแพทย์เป็นอันดับ 1 ในยุโรปในปี 2022

มีบทบาทในผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์ที่เชื่อมต่อกันตั้งแต่อุปกรณ์สวมใส่ไปจนถึงเครื่องถ่ายภาพ เครื่องช่วยหายใจ และหุ่นยนต์ทางการแพทย์

บริษัทยังดำเนินธุรกิจด้านเซมิคอนดักเตอร์ (รวมถึงเทคโนโลยีแม่เหล็ก) และเทคโนโลยีขั้นสูง/หุ่นยนต์/ระบบอัตโนมัติ โดยแต่ละกิจกรรมมีฐานเทคโนโลยีร่วมกัน

ที่มา: ฟิลิปส์

Philips นำเสนออุปกรณ์สวมใส่สำหรับวัดอัตราการเต้นของหัวใจ ระบบทางเดินหายใจ และกิจกรรมต่างๆ โดยสามารถผสานเซ็นเซอร์เข้ากับสมาร์ทวอทช์ เครื่องตรวจสุขภาพ แผ่นแปะทางการแพทย์ และเครื่องติดตามกิจกรรมได้

ความเชี่ยวชาญของฟิลิปส์ในด้านเซ็นเซอร์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ เซมิคอนดักเตอร์ และโซลูชันไร้สายอาจทำให้บริษัทเป็นผู้นำในด้านอุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์ขั้นสูงพร้อมการชาร์จแบบไร้สาย

สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ฟิลิปส์สนับสนุนโซลูชันการเป็นพันธมิตรโดยบริษัทจะพัฒนาอุปกรณ์ทางการแพทย์ IoT (Internet of Things) ที่เชื่อมต่อกันให้กับบุคคลภายนอกโดยให้เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับโซลูชันอื่นๆ ของฟิลิปส์ โดยในบริบทดังกล่าว บริษัทจะเสนอบริการสร้างต้นแบบ การให้คำแนะนำด้านกฎระเบียบ การพัฒนาผลิตภัณฑ์แบบครบวงจร และการผลิตในระดับอุตสาหกรรมให้กับลูกค้า

ซึ่งทำให้ฟิลิปส์เป็นบริษัทที่มุ่งเน้นด้านเทคโนโลยีและมีแนวโน้มที่จะผสานนวัตกรรมเข้ากับอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่มีอยู่ได้อย่างรวดเร็ว โดยรวมแล้ว อุปกรณ์ของฟิลิปส์ส่งผลกระทบโดยตรงต่อผู้คนมากกว่า 1.8 พันล้านคน

บริษัทต้องการสร้างสภาพแวดล้อมการดูแลสุขภาพดิจิทัลแบบครบวงจร โดยที่เซ็นเซอร์จะจับคู่กับอุปกรณ์ จากนั้นใช้โซลูชันการเชื่อมต่อที่หลากหลายเพื่อรวมเข้ากับโซลูชัน Philips HealthSuite Cloud และช่วยให้สามารถวิเคราะห์ข้อมูลเชิงลึกได้

ที่มา: ฟิลิปส์

ในฐานะซัพพลายเออร์ของอุตสาหกรรม MedTech ที่มักผลิตสินค้าให้กับแบรนด์อื่น ฟิลิปส์ไม่ได้เป็นที่รู้จักมากนักในอุตสาหกรรมนี้เมื่อเทียบกับบริษัทอื่นๆ ที่มีชื่อเสียงมากกว่า อย่างไรก็ตาม ฟิลิปส์เป็นผู้เชี่ยวชาญในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูง โดยมักจะขยายขอบเขตของสิ่งที่เป็นไปได้ในกลุ่มผลิตภัณฑ์ดูแลสุขภาพและอุปกรณ์สวมใส่

ด้วยการที่อุปกรณ์สวมใส่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ถูกบูรณาการเข้ากับการดูแลสุขภาพและโปรโตคอลทางการแพทย์มากขึ้น กลุ่มผลิตภัณฑ์การดูแลสุขภาพของ Philips จึงมีแนวโน้มที่จะเติบโตขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มบริษัท

ข่าวและความคืบหน้าล่าสุดของหุ้น Koninklijke Philips NV (PHG)

อ้างอิงการศึกษา:

^{1. อิมาน เอ็ม. อิมานิ, ฮยอน ซู คิม และคณะ เครื่องรับอัลตราซาวนด์แบบปรับรูปร่างร่างกายเพื่อการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายที่มีประสิทธิภาพและเสถียรในการชาร์จแบบเจาะผิวหนังลึก วัสดุขั้นสูง เล่มที่ 37, ฉบับที่ 19 12 พฤษภาคม 2025}