New York şehrindeki Kolombiya Üniversitesi mühendisleri, sağlık durumunu denetlemek için vücuda enjekte edilebilen ve ultrasonla çalışan küçük bir çipli sistem geliştirdiler. Bununla ilgili daha fazla bilgi edinmek için Lau Elektrik Mühendisliği Profesörü Ken Shepherd ile konuştuk. Bu makalemizde; araştırmanın iç yüzeyinde neler var, çip ne kadar küçük, çip nasıl çalışıyor, vücuda nasıl yerleşiyor ve ne kadar derine iniyor hepsini öğreneceğiz. Keyifli okumalar.
Bu araştırmanın arka planı nedir?
Moore Yasası, entegre devre çipinin belirli bir alanına giderek daha fazla transistör sığdırabileceğinizi belirtir. Bu sayı son 30 – 40 yıldır katlanarak artıyor. Aslen çipleri küçültmek için değil boyutları aynı olan bir çipe daha fazla transistör sığdırmak için kullanıldığından dolayı bin transistörlü çiplerden on milyarlarca transistörlü çiplere geçtik. Aynı mantık tabii ki çok çok küçük çipler yapmak için de kullanılabilir.
Peki ne kadar minik?
Hem güç hem de iki yönlü iletişimi destekleyen bildiğimiz en küçük otonom tek çipli sistem – kabaca 300 x 300 mikron [bir mikron = 0,001 mm].
Bu kadar minik bir çip üretmenin en büyük zorlukları neler?
Çipi çalıştırabilmeniz ve onunla iletişim halinde olmanız gerekiyor, aksi takdirde hiçbir faydası olmaz. Yani yaptığımız şey tüm bu sistemin çipin kendisi olduğu bir cihaz. Başka herhangi bir şey yok: harici sensör dizisi, anten veya pil yok. Kısacası harici hiçbir şey yok. Bir çip otonom bir sistem olarak çalışmak için ise birkaç kriteri karşılamalı.
Çipe giden tüm enerji ve haberleşmenin kablosuz halledilmesi gerekiyor. Bu nedenle, kablosuz yapılması gereken şeyler için tüm antenlerin entegre edilmesi gerekiyor. Bu tür bir implante edilebilirlik söz konusu olduğunda çipin de algıladığı belli başlı şeyler oluyor ve bu yüzden algı işlevinin de entegre edilmesi gerekiyor.
Radyo dalgaları gibi elektromanyetizma kullanarak bu kadar küçük bir cihazla iletişim kurmakta çok zorlanırsınız; çünkü dalga boyu cihazın boyutuna oranla çok daha büyüktür. Onlarca gigahertzde bile birkaç milimetre aralığındaki dalga boylarından bahsediyoruz. Bu cihazın boyutu bir milimetreden çok daha küçük. İşte bu yüzden ultrason kullanıyoruz. Yani cihaz elektromanyetizma ile değil akustikle çalışıyor. Ses dalgaları vücutta çok iyi yayıldığı için işimize de geliyor.
Çipi ultrasonla nasıl çalıştırıyorsunuz?
Bu cihazları ultrasonografiyi geliştirmek için kullanmayı düşünüyoruz. Halihazırda olmayan verileri elde etmeye yardımcı olabilmeyi amaçlıyoruz. Ultrasonun mekanizması, vücudunuza bir ses dalgası göndererek akustik bir uyumsuzluk olduğunda bu akustik enerjinin bir kısmını görüntüleyiciye geri yansıtma yoluyla çalışır. Bahsettiğim bu akustik uyumsuzluk, vücudunuzdaki farklı materyaller veya arayüzler nedeniyle ortaya çıkan akustik empedans farkı (bir ultrason ışınının dokudan geçerken karşılaştığı direnç miktarı) olarak da açıklanabilir.
Ultrason görüntüsünde gördüğünüz şey de bu. Ancak bilinmeyen birçok şey var. Örneğin, bahsettiğimiz bu çip sıcaklık ölçüyor. Şu anki ultrasonlarda yerel sıcaklık hakkında bilgi edinmemin hiçbir yolu yok. Bu cihazlardan birini vücudunuza yerleştirdiğimizde ve ultrason ışını ona çarptığında enerji cihazı açacak. Cihaz, açıldıktan sonra ise, sıcaklığı ölçüp yansıyan enerjiyi ultrason görüntüleyiciye uygun şekilde ayarlayacak.
Ultrasonda gördüğünüz şey bu küçük çipin yanıp sönmesi. Bu yanıp sönme geri dönütü size yerel olarak neyi ölçtüğünü söylüyor. Bazılarının “enerji hasadı” dediği şeyi yapıyor, yani ultrason ışınından enerji topluyor. Çipin üzerine sesi elektriğe dönüştüren bir piezoelektrik malzeme entegre ettik. Bu nedenle, bu malzemeye bir basınç dalgası uyguladığınızda, ki ses denen şey zaten budur, malzeme biraz sıkışıyor ve bu da bir voltaj üretiyor. Bu voltaj da çipi çalıştırmak için kullanılıyor.
Çipi ne kadar derine yerleştirebilirsiniz?
Bu cihazlar için yaklaşık beş megahertz ultrason kullanıyoruz. Çoğu klinik ultrason biraz daha düşük frekansa gidiyor: genellikle bir megahertz civarı. Frekans yükseldikçe, ultrason dokunuza daha fazla emildiğinden, daha az derine nüfuz edebiliyorsunuz; fakat bir megahertzde dalga boyları cihazla iletişim kurmak için çok büyük. Bu da demek oluyor ki beş megahertzde, ultrason çok fazla enerji kaybetmeden önce yaklaşık 6 – 7 cm derine inebiliriz. Bu da hatırı sayılır bir derinlik.
Bunları vücudun içine nasıl yerleştiriyorsunuz?
1.2mm hipodermik iğneye sığacak kadar küçük olduklarından onları bu şekilde yerleştiriyoruz. Çıkarılma prosedürü de yine aynı şekilde.
Peki yerleştikten sonra nasıl çalışıyorlar?
Cihazlar iki şekilde kullanılabilir. Bunlardan biri müzmin olarak implante edilmesi, yani yerleştirilip kendi haline bırakılmasıdır; fakat vücudunuzda böyle bir cihaz olmasının uzun vadeli sonuçlarını anlamak için çok daha fazla test yapılmalı..
Bu düşünce, cihazın çok küçük olmasının yararlarından biri olarak vücudun onu yabancı bir cisim gibi algılama ve tepki gösterme ihtimalinin düşük olacağını savunur. Bir diğer yol ise cihazı bir süre sonra vücuttan çıkarmaktır. Bunu yine ultrasonla yönlendirilen bir hipodermik iğne ile yapabilirsiniz. İğneyi yönlendirmek, cihazı bulmak ve ardından çekerek çıkarmak için ultrason görüntüleyici kullanılır.
İleriye dönük ne gibi alanlarda kullanılabilir?
Bu özel tasarım, ultrason görüntüleyicisine ek bilgi sağlamak için kullanıldı. Bu da demek oluyor ki ultrason görüntüleme yaptığınız hemen hemen her bağlamda bu cihaz kullanılabilir. Örneğin klinisyenlerin ısı uyguladığı birçok klinik uygulama var. Böyle durumlarda ne kadar ısı uyguladığınızı bilmek istiyorsanız çipi kullanabilirsiniz.
Aradığınız belirli biyobelirteçler de olabilir. Belki de bir tümörün geri gelmediğini doğrulamak için sürekli ultrason görüntüleme yapıyorsunuzdur. Bir endişe olup olmadığını daha da erken anlamak için biyobelirteçleri ölçen bunun gibi cihazları implante etmek mantıklı olabilir. Aynı zamanda bir yaradaki çeşitli biyobelirteçleri izleyerek iyileşme sürecini de geliştirmeye çalışıyoruz.
Sonrasındaki planlarınız neler?
“Çipli sistem” implantları ile yapabileceğiniz başka birçok şey var aslında. Bu aralar merkezi sinir sistemi arayüzlerine çok fazla ilgi var. Beyin/bilgisayar arayüzleri, ağrı tedavisi gibi şeyler için çevresel sinir sistemi ile arayüz oluşturan ve kan basıncı gibi şeyleri kontrol etmek için otonom sinir sistemi ile etkileşime geçen cihazlar ilgi duyulan fikirlerden bazıları.
Bu cihazlar hacimsel verim dediğimiz şeyi sağlıyor. İmplante edilebilir bir cihazdan hacim başına ne kadar işlev alabileceğinizi ifade eden şey hacimsel verim. Bu cihazlar, hayal edebileceğiniz hacimsel verimliliği en yüksek cihazlardır. Minimum hacme maksimum işlev elde ediyorsunuz. Bu da birçok avantaj sağlıyor.
Kaynak: sciencefocus / Çeviri: Gevher Eylül Karboğa
