Несколько нательных медицинских датчиков объединили в одно устройство

Juliane Sempionatto / Nature Biomedical Engineering, 2021

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