Преимущества пьезоактуаторов в медицинских приборах и оборудовании
Производители медицинской техники всё чаще выбирают пьезодвигатели и пьезоактуаторы вместо традиционных электромагнитных моторов. Причина — в конструктивных преимуществах пьезоэлектрических устройств. Сегодня они применяются во многих медицинских задачах:
- ультразвуковые датчики (трансдьюсеры);
- искусственное оплодотворение;
- медицинские микроинъекционные насосы (нанолитровые дозы);
- микромониторинг;
- хирургическое оборудование;
- МРТ-совместимые роботы;
- микродозирование;
- пермеация клеток;
- визуализация клеток в цитопатологии.
Кроме того, пьезоустройства используют для работы с медицинскими материалами: системы «взял-и-положил» (pick-and-place), дозаторы лекарств, 3D-сканирование, управление лазерными пучками в офтальмологии, дерматологии и косметической хирургии.
Две группы технологий по принципу управления
С точки зрения управления медицинские применения пьезоактуаторов делятся на две категории:
- Базовая пьезотехника для задач управления движением.
- Повышение эффективности медицинских устройств.
1. Базовая пьезотехника для управления движением
На рынке представлено много типов пьезоактуаторов и пьезодвигателей. Ниже — самые востребованные в медицинской технике.
Стек-актуаторы (многослойные)
Самый распространённый тип. Отличаются высоким усилием, быстрым откликом, но малым ходом.
Сдвиговые актуаторы (shear)
Обеспечивают самые быстрые XY-системы. Высокое усилие, очень высокая частота. Ход обычно ограничен 20 микронами.
Трубчатые актуаторы
Применяются в основном в микродозировании и в сканерах атомно-силовых микроскопов (АСМ).
Изгибные актуаторы (bending)
Позволяют получить большой ход (прогиб) — до нескольких миллиметров, но с малым усилием и низкой частотой.
Направляемые изгибные пьезоактуаторы
Работают без трения (фрикционное скольжение отсутствует), используют кривизну и механические усилители хода. Обеспечивают большое перемещение и высокую линейность. Диапазон хода пропорционален напряжению. В продаже есть готовые многокоординатные системы с ходом до 2 мм. Главное преимущество — отсутствие износа благодаря работе без трения.
Ультразвуковые фрикционные двигатели
Работают за счёт высокочастотных колебаний пьезопластин (статора). Ход — практически неограниченный, высокая скорость, быстрый отклик (10 миллисекунд). Колебания передаются на ползун или ротор через трение. Из-за трения разрешающая способность обычно ограничена 50 нанометрами.
Пьезошаговые двигатели (stepper motors)
Практически неограниченный ход. Работают за счёт накопления малых управляемых шагов. Другие свойства:
- разрешение до пикометра в режиме дрожания (прямой пьезопривод);
- компактная конструкция, усилие до 155 фунтов (~70 кг) для серийных моделей;
- быстрый отклик (менее 1 миллисекунды);
- очень высокая жёсткость.
Ультразвуковые датчики (сенсоры)
Работают на высокочастотных резонансных пластинах или дисках. Обычно используются как датчики, преобразователи (трансдьюсеры) или в небулайзерах.
2. Как пьезоактуаторы улучшают работу медицинских устройств
Благодаря пьезодвигателям медицинские приборы становятся меньше, точнее, легче и удобнее в управлении.
Пример с микросхемой (на базе thinXXS Microtechnology AG, серия Micropump 2000).
Дисковый пьезоактуатор используется как заказной компонент. В этом устройстве актуатор точно дозирует жидкости и газы.
Системы дозирования жидкостей используют механический отклик пьезоактуатора для выдачи жидкости. Многослойные (стек) актуаторы собирают из нескольких слоёв пьезоматериала. При одинаковом напряжении это даёт мультипликативный эффект перемещения — мощность усиливается.
Когда на такой актуатор подают напряжение, он расширяется, создавая линейное движение и усилие. Если разместить его рядом с трубкой для жидкости, то при подаче сигнала актуатор давит на трубку, выдавливая строго определённый объём жидкости. Перемещение пьезоактуатора можно задать с высокой точностью, что позволяет выпускать ровно столько жидкости, сколько нужно. Многослойные пьезоактуаторы обеспечивают быстрый отклик, точное линейное движение, высокое усилие и нагрузочную способность. В дозаторах и жидкостных системах они надёжны и экономически эффективны.
Наглядный пример из лазерной коррекции зрения.
В операции LASIK (лазерный кератомилёз) используют высокоскоростные лазеры для разреза эпителиального слоя и коррекции роговицы. Для точного позиционирования лазерного луча применяют высокоточные наноперемещающие пьезокомпоненты — например, стек-актуаторы. Они служат приводами в нанопозиционирующих и сканирующих системах. Получив электрический сигнал на нужную траекторию, актуатор расширяется или сжимается с микронными корректировками, перемещая луч в заданное положение. При работе с человеческим глазом точность и прецизионность критичны — именно поэтому пьезокомпоненты стали идеальным выбором для медицинского нанопозиционирования.
Вывод
Потенциал пьезокомпонентов в медицине огромен. Уже сейчас их преимущества очевидны в лазерной хирургии, системах вентиляции лёгких и нанодозирующих приборах. Пьезоактуаторы — изгибные, кольцевые, трубчатые, цилиндрические — дают ту непревзойдённую точность, быстродействие и надёжность, которая требуется в современной медицинской технике.