Несколько нательных медицинских датчиков объединили в одно устройство

Американские ученые разработали нательное устройство, способное измерять несколько параметров одновременно: кровяное давление, пульс и концентрацию нескольких биомаркеров. Оно совмещает в себе ультразвуковые и электрохимические датчики, которые не влияют друг на друга. Подложка из эластичного полимера позволяет легко закреплять прибор на коже, не вызывая дискомфорта. Такие устройства помогут наблюдать за физиологическими параметрами пациентов с диабетом, сердечно-сосудистыми и другими заболеваниями, а также помогут следить за состоянием спортсменов во время экстремальных нагрузок. Статья опубликована в Nature Biomedical Engineering.

Нательные датчики для измерения кровяного давления, пульса, уровня глюкозы в крови и других физиологических параметров могут в будущем сильно

некоторые задачи врачей. Уже сейчас существуют умные часы, измеряющие пульс,

, а иногда даже уровень кислорода в крови, что особенно актуально. Такие устройства не вызывают дискомфорта, так как имеют небольшие размеры и используют неинвазивные методы. Несмотря на то, что многие физиологические параметры хорошо фиксируются по отдельности, особенный интерес вызывают совмещенные устройства, которые могут определять сразу несколько параметров. Недавние

позволили совместить физические сенсоры с химическими: электроды фиксируют электрокардиограмму и температуру тела, а химические датчики — содержание лактатов и глюкозы. Но на сегодняшний день многие зависимости между измеряемыми параметрами и содержанием биомаркеров в организме остаются неясными.

Частота сердечных сокращений и кровяное давление — это два самых важных параметра, характеризующих состояние организма. На них влияет подвижность, питание, стресс, потребление алкоголя и множество других факторов. Само по себе измерение пульса и давления уже может многое сказать о состоянии пациента. А совместно с измерением концентраций определенных биомаркеров — это очень сильный инструмент для диагностики и наблюдения за состоянием пациента. Приборы, одновременно измеряющие эти параметры могут найти применение в профилактике диабета, ожирения и сердечно-сосудистых заболеваний. Помимо этого, такие приборы могут применяться в неонатологии для постоянного наблюдения за новорожденными. Спортивные исследования тоже зачастую требуют небольших датчиков для измерения реакции организма на нагрузки.

Ученые под руководством Джулиан Семпионатто (Juliane Sempionatto) из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали совмещенный эластичный датчик, который измеряет кровяное давление, сердечный ритм, а также уровни биомаркеров: глюкозы, молочной кислоты, кофеина и спирта. Для измерения давления и сердечного ритма устройство использует ультразвуковые датчики, а для измерения уровня биомаркеров — электрохимические. Благодаря своей конструкции устройство может измерять все эти параметры одновременно, а датчики не искажают показания друг друга. При этом материал подложки, состоящий из стирен-этилен-бутилен-стиренового блок-сополимера, прост в изготовлении. Это сильно ускоряет процесс изготовления таких устройств и позволяет их использовать даже при активных физических нагрузках.

Датчик давления и пульса представляет собой цепочку из восьми пьезоэлектриков. На нее подаются электрические импульсы, из-за чего создаются ультразвуковые сигналы. Время отражения этих сигналов от стенок артерии дает информацию о давлении и сердечных сокращениях. Химический же датчик анализирует пот с помощью электрофореза. То есть, два противоположно заряженных электрода создают электрическое поле в жидкости, благодаря чему заряженные молекулы начинают двигаться. Их отношения массы к заряду являются сигналами и отличаются для разных молекул. При этом глюкозу ученые определяли не в поте, а в тканевой жидкости. За счет того, что в поте в основном содержатся отрицательно заряженные молекулы, они двигаются к положительно заряженному электроду. В то же время тканевая жидкость и ее глюкоза двигаются к отрицательному заряду. Этот эффект позволяет разделить молекулы биомаркеров и определять их по отдельности.

Чтобы датчики устройства не искажали показания друг друга, их отделили друг от друга пространственно. Датчик давления и пульса авторы поместили на расстоянии одного сантиметра с каждой стороны от электрохимического.

Генерация ультразвукового сигнала требует электрических импульсов высокого напряжения и частоты, что может влиять на электрохимические измерения. Чтобы оценить этот эффект, авторы включали и выключали электрохимический датчик каждые 30 секунд при постоянно работающем ультразвуковом датчике. Такую же процедуру проводили наоборот: при постоянно работающем электрохимическом датчике, включали и выключали ультразвуковой. Авторам удалось подобрать расстояние, при котором их взаимное влияние почти отсутствует. При меньшем расстоянии влияние заметно: электрохимические показания становятся неточными и искажаются.

Механическую прочность устройства авторы испытывали, растягивая его вертикально и горизонтально до 20 процентов вдоль соответствующих осей. В итоге даже после 200 циклов таких растяжений в показаниях датчиков не было значительных изменений, а результаты укладывались в пределы погрешности. Стабильности ультразвуковых датчиков на полимерной подложке ученые добивались, впаивая пьезоэлементы в полимер, смочив их толуолом, который растворяет полимер. После испарения толуола пьезоэлементы закрепляются в материале подложки и их гораздо сложнее сместить или деформировать. При различных деформациях уже на теле, датчик также сохраняет стабильность измерений.

Чтобы получить зависимость измеряемых параметров от физической нагрузки, авторы попросили добровольцев крутить велотренажер в течение 30 минут, сопроводив это пятью минутами отдыха. Среднее давление при этом увеличивается от 80 до 150 миллиметров ртутного столба, от 60 до 80 ударов в минуту. Уровень молочной кислоты при этом увеличился вдвое. Потребление алкоголя тоже заметно влияет на измеряемые параметры. Употребление 200 миллилитров напитка с содержанием спирта 19 процентов у обычного человека, не страдающего алкоголизмом, вызвало повышение пульса с 69 до 85 ударов в минуту и рост давления с 120 до 136 миллиметров ртутного столба. Потребление кофеина добровольцем не вызвало заметных изменений давления или пульса, выразившись только в повышении концентрации кофеина в поте. Небольшие изменения пульса все же наблюдаются при испытаниях на добровольце без регулярного потребления кофеина: с 75 до 88 ударов минуту. Давление при этом остается на том же уровне.

Разработка носимой электроники — это очень быстро развивающаяся область. Нательные устройства применяют не только в частных целях, но и в некоторых медицинских целях. Например, недавно ученые смогли определить таким устройством уровень витамина С в поте. Недавно физики разработали генератор, который работает от тепла человеческого тела — возможно, скоро нательным приборам даже не понадобится внешний источник энергии.

Егор Длин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Meta научила смартфоны создавать реалистичную модель лица

Разработчики из компании Meta создали алгоритм, позволяющий создавать качественную анимированную 3D-модель головы с помощью фронтальной камеры смартфона. Статья будет представлена на конференции SIGGRAPH 2022.