خبر کامل
ایمپلنت هوشمند ستون فقرات بدون باتری؛ انقلابی در جراحی جوش‌خوردگی
همکاری بی‌سابقه میان مهندسان عمران و جراحان مغز و اعصاب در دانشگاه پیتسبورگ منجر به طراحی نخستین ایمپلنت ستون فقراتی شده است که قادر است داده‌های زنده و لحظه‌ای را از درون بدن بیمار ارسال کند. این فناوری پیشگامانه که با بودجه مؤسسه ملی سلامت آمریکا (NIH) توسعه یافته، نویدبخش دگرگونی کامل در روند پایش بهبودی پس از جراحی‌های جوش‌خوردگی ستون فقرات است.
پروژه مشترک استادیاران امیر علوی، نیتین آگاروال و دی. کُجو همیلتون با عنوان «قفس بین‌مهره‌ای بی‌سیمِ متامتریال برای ارزیابی لحظه‌ای جوش‌خوردگی کمری در بدن زنده» طراحی شده است. هدف اصلی، ایمن‌تر کردن روند بهبودی پس از جراحی است تا پزشکان بتوانند از راه دور، ترمیم را رصد کرده و پیش از بروز عوارض جدی، مداخله لازم را انجام دهند.
ایمپلنت متامتریال: پایان وابستگی به اشعه ایکس
چالش‌های پایش سنتی
سالانه نزدیک به یک میلیون آمریکایی تحت عمل جراحی جوش‌خوردگی ستون فقرات قرار می‌گیرند. در این جراحی، دو مهره با استفاده از قفسی فلزی و پیوند استخوانی به هم متصل و با پیچ‌ها و براکت‌ها ثابت می‌شوند. با این حال، پایش روند بهبودی همچنان به روش‌های سنتی وابسته است:
- تصویربرداری با اشعهٔ ایکس (X-ray)
- ارزیابی علائم ظاهری بیمار
این وابستگی به معنای مراجعات حضوری مکرر بیماران و قرار گرفتن آن‌ها در معرض اشعه است. اگرچه دستگاه‌های بی‌سیم کاشتنی دیگری نیز وجود دارند، اما وابستگی آن‌ها به باتری و قطعات الکترونیکی، دوام و طول عمرشان را محدود می‌کند.
الهام از مهندسی پل برای بدن انسان
دکتر امیر علوی، استاد مهندسی عمران و محیط‌زیست و پژوهشگر اصلی پروژه، تخصص خود در طراحی حسگرهای پایش سلامت پل‌ها را به حوزه پزشکی وارد کرد. حسگرهای قبلی او خودشان انرژی تولید می‌کردند و در صورت فرسودگی پل، هشدار می‌دادند. علوی متوجه شد که این ایده برای ایمپلنت‌های ستون فقرات نیز قابل اجرا است.
«نه باتری، نه آنتن، نه قطعات الکترونیکی درون بدن قرار نمی‌گیرد و جای هیچ نگرانی نیست. با ترکیب طراحی متامتریال و فناوری برداشت انرژی در مقیاس نانو، ایمپلنت‌هایی کاملا بدون باتری و بدون قطعات الکترونیکی می‌سازیم که با استفاده از تماس الکتریکی، انرژی خود را تولید می‌کنند.»
ساختار متامتریال و تولید انرژی خودکار
گروه پژوهشی از متامتریال‌ها استفاده می‌کند؛ مواد ترکیبی مصنوعی که از لایه‌های رسانا و نارسانا در هم‌تنیده ساخته شده‌اند. این ساختارهای هوشمند هنگام وارد شدن فشار، انرژی برداشت کرده و سیگنال‌های لازم را ارسال می‌کنند.
در سال ۲۰۲۳، علوی و آگاروال این فناوری را در قفس‌های مخصوص جراحی جوش‌خوردگی ستون فقرات به کار بردند. نتایج پژوهش آن‌ها که در نشریهٔ Materials Today منتشر شد، ایمپلنت‌هایی را معرفی کرد که هم ستون فقرات را تثبیت می‌کنند و هم روند بهبودی را پایش می‌کنند.
هوش ذاتی در قفس‌های ستون فقرات
این ایمپلنت‌ها دارای نوعی «هوش ذاتی» هستند که با ترمیم استخوان، سیگنال آن‌ها تغییر می‌کند:
- بلافاصله پس از جراحی: سیگنال قوی‌تر است، زیرا صفحات انتهایی مهره‌ها فشار بیشتری بر قفس وارد می‌کنند.
- هنگام ترمیم استخوان: استخوان در حال جوش‌خوردگی، بار بیشتری را خودش تحمل می‌کند و در نتیجه، سیگنال خودتولید ایمپلنت به‌طور طبیعی کاهش می‌یابد.
اتصال به فضای ابری و طراحی با هوش مصنوعی
سیگنال‌های تولیدشده توسط ایمپلنت از طریق یک الکترود روی پشت بیمار دریافت شده و مستقیماً به فضای ابری ارسال می‌شوند. در آنجا، پزشکان می‌توانند داده‌ها را به‌صورت لحظه‌ای تحلیل کنند. این قابلیت، امکان مداخله زودهنگام و جلوگیری از بروز عوارض جدی را فراهم می‌آورد.
علاوه بر این، گروه علوی از هوش مصنوعی مولد (Generative AI) برای طراحی اختصاصی قفس‌ها استفاده می‌کند. این رویکرد امکان اسکن ستون فقرات بیمار و سپس طراحی و چاپ قفس را دقیقاً متناسب با آناتومی بدن او فراهم می‌آورد. این قفس‌های متامتریال نه تنها با بدن هر بیمار سازگار می‌شوند، بلکه انرژی مورد نیاز خود را نیز تأمین می‌کنند.
گام‌های بعدی: از آزمایشگاه تا بدن زنده
گروه پژوهشی تاکنون موفق شده است این دستگاه‌ها را در شرایط آزمایشگاهی (in vitro) با موفقیت آزمایش کرده و مفهوم آن‌ها را تأیید کند. مرحله بعدی شامل آزمایش بر روی موجودات زنده (in vivo) خواهد بود. در صورت موفقیت‌آمیز بودن این مرحله، گام نهایی، آزمایش انسانی خواهد بود.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
