इंप्लांटेबल टेक्नोलॉजी का इतिहास। एमईएमएस

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम ( एमईएमएस ) लघु उपकरणों और माइक्रोप्रोसेसिंग प्रक्रियाओं का उपयोग करने वाले सिस्टम का एक वर्ग है। एमईएमएस बनाने का मुख्य मानदंड उनका आकार है। आमतौर पर यह 1 मिमी से अधिक नहीं होता है। एमईएमएस प्रौद्योगिकियां अपेक्षाकृत अधिक लोकप्रिय प्रौद्योगिकी क्षेत्र की अग्रदूत हैं, जहां उपकरण का आकार 100 नैनोमीटर से शुरू होता है।

एमईएमएस शब्द को मूल रूप से लघु सेंसर और डिवाइस के इलेक्ट्रिकल और मैकेनिकल क्षेत्रों के बीच काम करने वाले एक्ट्यूएटर्स को संदर्भित करने के लिए बनाया गया था। धीरे-धीरे, यह शब्द एमईएमएस के साथ-साथ विकसित हुआ और सूक्ष्म प्रसंस्करण का उपयोग करके बनाए गए विभिन्न माइक्रोदेविसेस की एक विस्तृत श्रृंखला को शामिल किया गया।

इसी तरह, शब्द " बायोमेडिकल माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम " का उपयोग जैविक और चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए माइक्रोदेवी के उत्पादन के विज्ञान और प्रौद्योगिकी को संदर्भित करने के लिए किया जाता है। इनमें बायोमेडिकल सेंसर, इम्प्लांट, माइक्रोसर्जिकल इंस्ट्रूमेंट्स और अन्य डिवाइस शामिल हैं।

1947 में विलियम शॉक्ले , जॉन बार्डिन और वाल्टर ब्रेटन द्वारा पॉइंट ट्रांजिस्टर के आविष्कार ने MEMS के निर्माण को गति दी। पहले ट्रांजिस्टर का आकार 1.3 सेंटीमीटर था, जो कि वर्तमान की तुलना में बहुत बड़ा है। आधुनिक तकनीक आपको लगभग 1 नैनोमीटर के व्यास के साथ ट्रांजिस्टर बनाने की अनुमति देती है।



1954 में, के.एस. स्मिथ ने पाईज़ोरेसिस्टिव प्रभाव की खोज की और उसका वर्णन किया - यांत्रिक भार के प्रभाव में अर्धचालक या धातु के विद्युत प्रतिरोध में बदलाव। पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव के विपरीत, पीज़ोरेसिस्टिव प्रभाव केवल विद्युत प्रतिरोध में परिवर्तन का कारण बनता है, न कि विद्युत क्षमता में।

प्रयोगों के परिणामस्वरूप, यह स्पष्ट हो गया कि सिलिकॉन और जर्मेनियम धातुओं की तुलना में हवा या पानी के दबाव के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। कई MEMS डिवाइस, जैसे कि स्ट्रेन गेज, प्रेशर सेंसर और एक्सेलेरोमीटर, सिलिकॉन में पीज़ोरेसिस्टिव प्रभाव का उपयोग करते हैं।

अर्धचालक में इस आशय की खोज सिलिकॉन-आधारित दबाव सेंसर के औद्योगिक उत्पादन की शुरुआत थी। 1959 में, कुलित ने पहली बार अपने उत्पादन को स्ट्रीम पर रखा था।

ट्रांजिस्टर बनाते समय, इंजीनियरों को आकार सीमा का सामना करना पड़ा। प्रत्येक ट्रांजिस्टर को शेष इलेक्ट्रॉनिक्स में वायर्ड किया जाना था। तब एक ऐसी चीज की जरूरत पड़ी जो ट्रांजिस्टर, रेसिस्टर्स, कैपेसिटर और कनेक्टिंग वायर को समायोजित कर सके। ऐसा एक सब्सट्रेट लघु उपकरणों के निर्माण की अनुमति देगा।

इसलिए 1958 में, दो लोग - अमेरिकी कंपनी टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स से जैक किल्बी और फेयरचाइल्ड सेमीकंडक्टर से रॉबर्ट नीस एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से - एक एकीकृत सर्किट इकट्ठे हुए । किल्बी के सर्किट में एक ट्रांजिस्टर, तीन प्रतिरोधक और एक जर्मेनियम क्रिस्टल पर एक समाई शामिल थी - जिसे तथाकथित "शॉर्ट सर्किट" कहा जाता था। शोर की योजना को "एकात्मक" कहा जाता था और एक सिलिकॉन क्रिस्टल पर बनाया गया था।


किल्बी स्कीम

1964 में, वेस्टिंगहाउस इलेक्ट्रिक ने पहला धारावाहिक एमईएमएस इकट्ठा किया। एक गुंजयमान गेट ट्रांजिस्टर नामक एक उपकरण में, यांत्रिक और इलेक्ट्रॉनिक घटकों को इकट्ठा किया गया था। ट्रांजिस्टर एक प्रकार की आवृत्ति फिल्टर के रूप में काम करता था - यह एक निश्चित सीमा के विद्युत संकेतों को पारित करता था।

एमईएमएस का पहला वाणिज्यिक अनुप्रयोग आने में लंबा नहीं था: 70 के दशक में, आईबीएम प्रयोगशाला से कर्ट पीटरसन ने एक सूक्ष्म दबाव संवेदक इकट्ठा किया, जिसका उपयोग रक्तचाप सेंसर में किया गया था।

1993 में, एनालॉग डिवाइसेस पहला बड़े पैमाने पर उत्पादित एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर बन गया। उनमें से अधिकांश का उपयोग मोटर वाहन उद्योग में किया गया था, लेकिन पिछले कुछ वर्षों में, उनका दायरा स्वायत्त नेविगेशन सिस्टम, गेम कंट्रोलर और साथ ही मोबाइल और कंप्यूटर सिस्टम तक विस्तारित हो गया है।

एमईएमएस प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग के क्षेत्र

अपने अस्तित्व के शुरुआती वर्षों में, MEMS तकनीक विज्ञान के कई क्षेत्रों के लिए क्रांतिकारी थी, जिसमें यांत्रिकी, ध्वनिकी, प्रकाशिकी और अन्य शामिल थे। समय के साथ, अद्वितीय समाधान और उत्पाद रासायनिक, जैविक और चिकित्सा क्षेत्रों में दिखाई दिए। एमईएमएस घरेलू उपकरणों और इलेक्ट्रॉनिक्स, मोटर वाहन, बायोमेडिकल और एयरोस्पेस उद्योगों में घुस गया।

दबाव सेंसर

1980 के दशक में जैव चिकित्सा उद्योग में उपयोग किए जाने वाले पहले माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण पुन: प्रयोज्य रक्तचाप सेंसर हैं। आधुनिक एमईएमएस दबाव सेंसर इंट्राओकुलर, इंट्राक्रानियल, अंतर्गर्भाशयी दबाव को मापते हैं, और एंजियोप्लास्टी के दौरान भी उपयोग किया जाता है।

डब्ल्यूएचओ के अनुसार, मोतियाबिंद के बाद मोतियाबिंद अंधापन का दूसरा सबसे आम कारण है। इम्प्लांटेबल प्रेशर सेंसर ग्लूकोमा के रोगियों में इंट्राओकुलर दबाव की निरंतर निगरानी की अनुमति देते हैं। एक स्वस्थ आंख में, दबाव 10-22 मिमीएचजी की सीमा में बनाए रखा जाता है। असामान्य रूप से उच्च दबाव (> 22 मिमी) और इसके उतार-चढ़ाव को ग्लूकोमा के विकास के लिए मुख्य जोखिम कारक माना जाता है।

यह रोग अक्सर किसी भी ध्यान देने योग्य लक्षण और दर्द के बिना होता है, लेकिन ऑप्टिक तंत्रिका को अपरिवर्तनीय और लाइलाज नुकसान पहुंचा सकता है। समय पर उपचार के बिना, परिधीय दृष्टि पीड़ित होती है और कभी-कभी पूर्ण अंधापन होता है।

IOP मापने वाले सेंसर में से एक नीचे दिखाया गया है। यह एमईएमएस दबाव सेंसर के एक तत्व के साथ एक डिस्पोजेबल संपर्क लेंस है। संवेदक में एक एंटीना लूप (गोल्ड रिंग), एक विशेष प्रयोजन माइक्रोप्रोसेसर - एक 2x2 मिमी चिप, और इंट्राओकुलर दबाव में परिवर्तन के जवाब में कॉर्नियल वक्रता को मापने के लिए तनाव गेज शामिल हैं। ऐन्टेना लूप बाहरी निगरानी प्रणाली से शक्ति प्राप्त करता है और सूचना को सिस्टम में वापस स्थानांतरित करता है।

जड़त्वीय सेंसर

एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर का उपयोग डिफिब्रिलेटर और पेसमेकर में किया जाता है। तेजी से या अराजक धड़कन से पीड़ित मरीजों को अक्सर दिल की विफलता या दिल का दौरा पड़ने का सबसे अधिक खतरा होता है।



एक पेसमेकर दिल को विद्युत आवेगों को प्रेषित करके एक सामान्य दिल की धड़कन का समर्थन करता है। आधुनिक उपकरण एमईएमएस एक्सेलेरोमीटर का उपयोग करते हैं जो रोगी की शारीरिक गतिविधि के अनुसार हृदय गति को समायोजित करते हैं।

इसके अलावा, एमईएमएस जड़त्वीय सेंसर - एक्सेलेरोमीटर और जाइरोस्कोप - का उपयोग सबसे असामान्य आईबॉट मोबिलिटी सिस्टम व्हीलचेयर में से एक को विकसित करने के लिए किया गया था। कई सेंसर का संयोजन उपयोगकर्ता को व्हीलचेयर को नियंत्रित करने और सीट की ऊंचाई को समायोजित करने की अनुमति देता है, जिससे घुमक्कड़ को दो पहियों पर संतुलन बनाने के लिए मजबूर किया जाता है। इस प्रकार, व्हीलचेयर में एक व्यक्ति अन्य लोगों के साथ आमने-सामने बातचीत कर सकता है।

मापने transducers

ट्रांसड्यूसर्स ने सुनवाई एड्स में अपना आवेदन पाया है। इन इलेक्ट्रो-ध्वनिक उपकरणों का उपयोग कान में ध्वनि प्राप्त करने, बढ़ाने और निर्देशित करने के लिए किया जाता है। इस प्रकार, श्रवण यंत्र श्रवण हानि की क्षतिपूर्ति करते हैं और ऑडियो संकेतों को उपयोगकर्ता के लिए अधिक दृश्यमान बनाते हैं।

आंकड़ों के अनुसार, आंशिक या पूर्ण सुनवाई हानि वाले 80% लोग श्रवण यंत्र स्थापित नहीं करते हैं। कारण अक्सर सुनवाई हानि और सामाजिक स्टीरियोटाइप को पहचानने में अनिच्छा होती है जो श्रवण यंत्र पहनने के बारे में गलत धारणाओं से जुड़ी होती है। इस डेटा के बाद, कई निर्माता ऊर्जा और धन का निवेश छोटे उपकरणों में कर रहे हैं, जो एक ही समय में प्रदर्शन से समझौता नहीं करते थे।



एमईएमएस प्रौद्योगिकियां पारंपरिक समाधानों की तुलना में फार्म कारक, लागत और बिजली की खपत को कम कर सकती हैं। इसलिए, उदाहरण के लिए, एनालॉग डिवाइसेस, जिनकी मात्रा केवल 7.3 मिमी 3 है, में एमईएमएस माइक्रोफोन शामिल है, जो सुनवाई सहायता के रूप में उपयुक्त है।

माइक्रोहाइड्रोइडाइनेमिक सिस्टम

Microhydrodynamics वैज्ञानिक ज्ञान का एक क्षेत्र है जो छोटे संस्करणों और द्रव प्रवाह के व्यवहार की जांच करता है। सुई, चैनल, वाल्व, पंप, मिक्सर, फिल्टर, सेंसर और टैंक: एक विशिष्ट माइक्रोहाइड्रोडायनामिक प्रणाली के होते हैं।

इस तरह की प्रणालियों का उपयोग अक्सर रोगी के बिस्तर पर चिकित्सा परीक्षण करने के लिए किया जाता है। इस तरह के परीक्षण और विश्लेषण विकासशील देशों में एक विशेष भूमिका निभाते हैं, जहां अस्पतालों तक पहुंच सीमित है और इलाज महंगा है। निदान के लिए नमूना तैयार करने, पदार्थ के नमूने में वांछित घटक का पता लगाने के साथ-साथ डेटा का विश्लेषण करने और परिणाम प्रदर्शित करने के लिए डायग्नोस्टिक माइक्रोहाइड्रोडायनामिक सिस्टम शारीरिक तरल पदार्थ (लार, रक्त या मूत्र के नमूने) का उपयोग करते हैं। सबसे व्यापक रूप से ज्ञात और व्यापक रूप से माइक्रोहाइड्रोडायनामिक प्रणालियों में से एक गर्भावस्था परीक्षण है।

इसके अलावा, इन प्रणालियों का उपयोग किसी विशिष्ट मानव अंग में ड्रग्स देने के लिए किया जाता है। तो, microneedles की मदद से, percutaneous दवा वितरण किया जाता है। इंप्लांटेबल डिलीवरी सिस्टम (इंसुलिन पंप, दवाओं के साथ स्टेंट) और सीधे ड्रग डिलीवरी सिस्टम (माइक्रो- और नैनोपार्टिकल्स) भी हैं।

2012 में मधुमेह के रोगियों के लिए, एक विशेष इंसुलिन वितरण प्रणाली, गहनाप्यूएमपी विकसित की गई थी। पहले संस्करण को डिस्पोजेबल त्वचा पैच पर स्थापित किया गया था और मानव शरीर को इंसुलिन की निरंतर आपूर्ति प्रदान की गई थी। पूरे सिस्टम का वजन केवल 25 ग्राम था और इसमें 5000 यूनिट तक इंसुलिन शामिल था, जो अतिरिक्त पुनःपूर्ति या प्रतिस्थापन के बिना 7 दिनों के लिए पर्याप्त था।

सुक्ष्ममापी सुइयों

आधुनिक माइक्रोप्रोसेसिंग तकनीक 300 माइक्रोन से छोटी सुइयों के निर्माण की अनुमति देती है, जो पारंपरिक प्रसंस्करण विधियों की सीमा है। आमतौर पर, एक एमईएमएस माइक्रोनियल 1 मिमी से कम लंबा होता है। उनका उपयोग दवा वितरण, बायोमेडिकल सिग्नल रिकॉर्डिंग, द्रव नमूनाकरण, कैंसर चिकित्सा और माइक्रोडायलिसिस के लिए किया जाता है।

अक्सर ऐसे माइक्रोनेडल्स को एक उपकरण में एकीकृत किया जाता है और इसका उपयोग माइक्रोकैनेल सिस्टम के संयोजन में किया जाता है। ठोस और खोखले microneedles सिलिकॉन, कांच, धातुओं और पॉलिमर से माइक्रोप्रोसेसिंग द्वारा बनाए जाते हैं। वे विभिन्न आकृतियों में आते हैं - बेलनाकार से अष्टकोणीय तक।


सिलिकॉन की प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी द्वारा बनाए गए ठोस माइक्रोएडल्स।

माइक्रोसर्जिकल इंस्ट्रूमेंट्स

न्यूनतम इनवेसिव सर्जिकल प्रक्रिया को बहुत कम चीरों के साथ या मानव शरीर पर प्राकृतिक उद्घाटन के माध्यम से ऑपरेशन करके रोगों की पहचान, निगरानी या उपचार प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। पारंपरिक ओपन सर्जरी पर ऐसी सर्जरी के फायदे कम दर्द, कम ऊतक क्षति और निशान की संख्या, सर्जरी के बाद त्वरित वसूली और अक्सर रोगी के लिए कम लागत होती है।

न्यूनतम इनवेसिव सर्जरी के लिए सामान्य प्रक्रियाओं में एंजियोप्लास्टी, कैथीटेराइजेशन, एंडोस्कोपी, लैप्रोस्कोपी और न्यूरोसर्जरी शामिल हैं। MEMS- आधारित माइक्रोसर्जिकल इंस्ट्रूमेंट्स न्यूनतम इनवेसिव सर्जरी में सबसे उपयुक्त तकनीकें हैं।

तो अवरुद्ध धमनियों के माध्यम से सामान्य रक्त प्रवाह को बहाल करने के लिए डिज़ाइन की गई एंजियोप्लास्टी प्रक्रिया के संचालन के लिए, दिल के स्टेंट का उपयोग किया जाता है। वे पोत का विस्तार करने के लिए एक कैथेटर के माध्यम से रक्त वाहिका में पेश किए जाते हैं। दो मुख्य प्रकार के स्टेंट हैं: धातु और बहुलक स्टेंट। पॉलिमर स्टेंट, बदले में, resorbable और गैर-resorbable में विभाजित हैं। जाहिर है, पूर्व अधिक आकर्षक हैं क्योंकि वे अपना मिशन पूरा करने के बाद शरीर के अंदर घुल सकते हैं।

एमईएमएस के पहले बड़े पैमाने पर उत्पादन के बाद से 50 से अधिक वर्ष बीत चुके हैं। इस समय के दौरान, बायोमेडिकल एमईएमएस प्रौद्योगिकी ने दृढ़ता से हमारे जीवन में प्रवेश किया है: इसकी मदद से विकलांग लोगों की मदद करना, गंभीर बीमारियों का इलाज करना और सुरक्षित सर्जिकल ऑपरेशन करना संभव हो गया है। प्रौद्योगिकी नई सामग्री के निर्माण और खोज के लिए तेजी से धन्यवाद विकसित करना जारी रखती है, जो एमईएमएस के आकार को कम करना संभव बनाता है और इस प्रकार उनके आवेदन के दायरे का विस्तार करता है।