ادغام رابط‌های نورو-الکترونیکی با قلب‌های مصنوعی یک پیشرفت چشمگیر در مهندسی زیست‌پزشکی محسوب می‌شود. این فناوری امکان تنظیم خودکار و بلادرنگ دستگاه‌های قلب مصنوعی را با ارتباط مستقیم با سیستم عصبی خودکار (ANS) فراهم می‌کند.
با بهره‌گیری از سیستم‌های نورو-الکترونیکی، قلب‌های مصنوعی می‌توانند عملکرد طبیعی قلب را بهتر تقلید کرده و نتایج درمانی بیماران و کیفیت زندگی آنها را بهبود بخشند. علاوه بر این، ترکیب داده‌های الکتروانسفالوگرام (EEG) و الکتروگاستروگرام (EGG) برای تحلیل پیش‌بینی و کنترل تطبیقی به عنوان یک رویکرد نوین برای بهینه‌سازی عملکرد قلب مصنوعی در حال ظهور است.
سیستم عصبی خودکار نقش حیاتی در تنظیم عملکرد قلب و عروق ایفا می‌کند و از دو شاخه اصلی تشکیل شده است: سیستم عصبی سمپاتیک و پاراسمپاتیک. سیستم سمپاتیک با افزایش ضربان قلب و قدرت انقباضی آن، برون‌ده قلبی را افزایش می‌دهد، در حالی که سیستم پاراسمپاتیک این اثرات را خنثی کرده و باعث آرامش و صرفه‌جویی در انرژی می‌شود. یک قلب مصنوعی کارآمد باید به طور ایده‌آل به این سیگنال‌های عصبی در زمان واقعی پاسخ دهد و میزان پمپاژ و نیروی خود را متناسب با نیازهای فیزیولوژیکی بدن تنظیم کند.
قلب‌های مصنوعی سنتی برای سنجش پارامترهایی مانند فشار خون و جریان خون به حسگرهای مکانیکی متکی هستند، اما این روش‌ها فاقد پاسخگویی پویای قلب بیولوژیکی هستند. رابط‌های نورو-الکترونیکی این شکاف را با تفسیر مستقیم سیگنال‌های عصبی از ANS و تنظیم عملکرد قلب مصنوعی پر می‌کنند. این یکپارچه‌سازی زیست‌الکترونیکی امکان پشتیبانی قلبی تطبیقی و شخصی‌شده را فراهم کرده و از بروز مشکلاتی مانند آریتمی و ناکارآمدی مکانیکی جلوگیری می‌کند.
فراتر از ارتباط مستقیم با ANS، سیگنال‌های EEG و EGG به دلیل نقش بالقوه آنها در پیش‌بینی نیازهای قلبی مورد توجه قرار گرفته‌اند. EEG که فعالیت الکتریکی مغز را ثبت می‌کند، می‌تواند بینش‌هایی در مورد استرس، حالات عاطفی و شرایط عصبی که بر عملکرد قلب تأثیر می‌گذارند، ارائه دهد. برای مثال، افزایش فعالیت سمپاتیک ناشی از استرس یا فعالیت بدنی را می‌توان از طریق الگوهای EEG شناسایی کرد و قلب مصنوعی را برای تنظیم مناسب تحریک کرد.
اصول عملکرد اینترفیس‌های نورو-الکترونیکی :
اینترفیس‌های نورو-الکترونیکی ترکیبی از حسگرهای عصبی، پردازشگرهای سیگنال، و محرک‌های الکتریکی هستند که سیگنال‌های عصبی را دریافت و پردازش کرده و دستورات لازم را به قلب مصنوعی ارسال می‌کنند. این فرآیند شامل مراحل زیر است:
دریافت سیگنال‌های عصبی: از طریق الکترودهای کاشته‌شده در نواحی مرتبط با کنترل قلب، مانند عصب واگ یا مراکز مغزی مسئول تنظیم ضربان قلب.
پردازش و تفسیر سیگنال‌ها: با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی، داده‌های عصبی پردازش شده و الگوهای مشخصی استخراج می‌شوند.
کنترل تطبیقی قلب مصنوعی: بر اساس اطلاعات عصبی دریافتی، قلب مصنوعی می‌تواند نرخ ضربان، قدرت پمپاژ و سایر پارامترهای عملکردی خود را تنظیم کند.
به طور مشابه، EGG فعالیت الکتریکی معده را اندازه‌گیری کرده و اطلاعاتی درباره فرآیندهای گوارشی ارائه می‌دهد که با تنظیم خودکار بدن مرتبط هستند. از آنجا که سیستم‌های گوارشی و قلبی‌عروقی از طریق ANS به هم متصل هستند، تغییرات در سیگنال‌های EGG می‌توانند نشان‌دهنده نیازهای متابولیکی باشند و تغییرات احتمالی در نیازهای خروجی قلب را پیش‌بینی کنند. با ادغام داده‌های EEG و EGG در الگوریتم‌های قلب مصنوعی، می‌توان رویکردی جامع‌تر و فعالانه‌تر برای مدیریت قلب ارائه داد.
اجرای رابط‌های نورو-الکترونیکی در قلب‌های مصنوعی مزایای متعددی به همراه دارد:
بهبود سازگاری : تنظیم بلادرنگ خروجی قلب بر اساس سیگنال‌های عصبی باعث می‌شود که قلب‌های مصنوعی به‌طور هماهنگ با نیازهای فیزیولوژیکی بدن عمل کنند.
افزایش راحتی بیمار: تنظیمات پویا ناراحتی و حس ضربان غیرطبیعی را کاهش می‌دهد.
قابلیت پیش‌بینی: استفاده از داده‌های EEG و EGG کنترل پیش‌بینی‌کننده را بهبود می‌بخشد و امکان تنظیمات پیشگیرانه را قبل از تغییرات فیزیولوژیکی فراهم می‌کند.
کاهش عوارض پزشکی: تقلید دقیق‌تر عملکرد طبیعی قلب خطراتی مانند ترومبوز و خرابی مکانیکی را کاهش می‌دهد.
چالش‌های پیاده‌سازی و موانع بالقوه
با وجود مزایای قابل توجه رابط‌های نورو-الکترونیکی در تنظیم قلب‌های مصنوعی، چالش‌هایی در مسیر توسعه و پیاده‌سازی این فناوری وجود دارد. یکی از مشکلات اساسی، نیاز به توسعه الکترودهای پیشرفته و پایدار برای ثبت سیگنال‌های عصبی با دقت بالا و حداقل تداخل است. علاوه بر این، یکپارچه‌سازی این سیستم‌ها با دستگاه‌های قلب مصنوعی نیازمند همکاری میان‌رشته‌ای بین مهندسان زیست‌پزشکی، عصب‌شناسان و متخصصان قلب است. مسئله دیگر مربوط به ایمنی و پذیرش بیمار است، زیرا هرگونه تأخیر یا خطای پردازش داده‌های عصبی می‌تواند پیامدهای جدی برای بیماران داشته باشد. رفع این چالش‌ها از طریق تحقیقات بیشتر، بهبود فناوری‌های حسگری و الگوریتم‌های پردازشی پیشرفته امکان‌پذیر خواهد بود.
رابط‌های نورو-الکترونیکی گامی تحول‌آفرین در فناوری قلب‌های مصنوعی محسوب می‌شوند که کنترل خودکار و بلادرنگ را امکان‌پذیر کرده و عملکرد سیستم قلبی‌عروقی طبیعی را به‌دقت شبیه‌سازی می‌کنند. ادغام EEG و EGG برای تنظیم پیش‌بینی‌کننده بیشتر باعث افزایش سازگاری و کارایی این دستگاه‌ها می‌شود. با پیشرفت تحقیقات در این حوزه، قلب‌های مصنوعی نورو-الکترونیکی پتانسیل انقلاب در مراقبت‌های قلبی را دارند و می‌توانند یک راه‌حل شخصی‌تر و پاسخ‌گوتر برای مدیریت نارسایی قلبی و شرایط مرتبط ارائه دهند.
با پیشرفت‌های فناوری در حوزه‌ی هوش مصنوعی، نانوتکنولوژی، و مواد زیستی، انتظار می‌رود که اینترفیس‌های نورو-الکترونیکی به سطحی برسند که بتوانند به‌طور کاملاً همگام با بدن انسان عمل کنند. تحقیقات آتی بر روی بهبود دقت حسگرها، بهینه‌سازی الگوریتم‌های پردازش داده، و توسعه‌ی مواد زیست‌سازگار برای کاشت الکترودها تمرکز خواهند داشت.
اینترفیس‌های نورو-الکترونیکی می‌توانند آینده‌ی روش‌های درمانی برای بیماران قلبی را متحول کنند. با وجود چالش‌های موجود، تحقیقات مداوم در این حوزه نشان می‌دهد که این فناوری می‌تواند جایگزینی مناسب و کارآمد برای روش‌های کنونی کنترل قلب‌های مصنوعی باشد. همکاری بین دانشمندان حوزه‌های مختلف، از جمله علوم اعصاب، مهندسی پزشکی، و بیوانفورماتیک، برای تحقق این چشم‌انداز حیاتی خواهد بود.
References :
1.https://doi.org/10.3390/s18010210
3.https://doi.org/10.1088/1741-2560/4/4/006
4.https://doi.org/10.1088/1741-2552/aa6a4f
