В наши дни много пользы от носимой электроники - например, Google расширяет свой бизнес в сфере очков, в то время как другие компании стремятся завоевать свою долю рынка с помощью высокотехнологичных клипов и часов, которые отслеживают то, что вы едите и как вы двигаетесь.,
Связанный контент
- Ирландский кардиолог, чье изобретение спасло LBJ
- Электроника, которая может плавиться в вашем теле, может изменить мир медицины
Но ни один из них не похож на то, что разрабатывает Джон Роджерс, лауреат премии Смитсоновского института американских изобретателей 2013 года в области физических наук. Его устройство, видите ли, спроектировано не только для того, чтобы соответствовать как перчатка, но и, возможно, когда-нибудь спасти жизнь владельца.
Ученый-материаловед вместе со своей командой студентов из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн успешно протестировали то, что лучше всего назвать носком для сердца. Устройство, установленное по всей площади сердца, состоит из серии датчиков, позволяющих с невероятной точностью контролировать работу этого наиболее жизненно важного органа. Если он обнаруживает тревожную аномалию, он может передавать данные медицинским работникам; в чрезвычайной ситуации, например, во время сердечного приступа, он может даже вмешаться, введя индуцированный электродом импульс.
Обычно сердце работает так эффективно, что мы едва замечаем, как оно работает. Но для людей с нарушениями ритма сердца несинхронные сокращения сердца могут быть изнурительными, вызывая головокружение, слабость, рвоту и боль в груди, для тех, кто страдает аритмией, или, в некоторых случаях, смертельно. Со временем ритмические нарушения могут вызывать сгустки крови (которые иногда приводят к инсультам) и, в крайних случаях, остановку сердца.
Врачи обычно могут назначать лекарства для устранения подобных проблем. Но в некоторых случаях пациенты должны обращаться к хирургическим вмешательствам, таким как кардиостимуляторы или дефибрилляторы. И хотя эти устройства работают достаточно, механизм, который они используют для регулирования сердцебиения человека, на самом деле довольно грубый. С имплантатами дефибриллятора пара электродов расположена внутри камеры сердца. При обнаружении угрожающей жизни аритмии дефибриллятор посылает электрический шок, который оглушает сердце до нормального ритма. Проблема с этим подходом, говорит Роджерс, заключается в том, что деятельность из другой области сердца может по ошибке вызвать болезненный толчок, когда в этом нет особой необходимости.
Устройство Роджерса заключает сердце в гораздо более сложную сенсорную систему, которая может точно определить, где происходит ритмическая нерегулярность. В каком-то смысле он функционирует как нервные окончания на вторичной коже.
«Мы хотели использовать всю мощь схемотехники, - говорит Роджерс об устройстве, которое разрабатывается два с половиной года. - Благодаря большому количеству электродов, устройство может двигаться и стимулировать более целенаправленным образом., Очень важно доставлять тепло или импульсы в определенные места и делать это в измеримых дозах, которые являются достаточно достаточными, потому что применение больше, чем необходимо, не только болезненно, но и может повредить сердце. "
Эта пошаговая диаграмма иллюстрирует, как было создано устройство сердца. (Университет Иллинойса и Университет Вашингтона) Помимо потенциала в качестве экстренного сердечного имплантата, эластичность сердечного носка позволяет использовать целый ряд других электронных и неэлектронных датчиков, которые могут отслеживать уровни кальция, калия и натрия, которые считаются ключевыми показателями здоровья сердца. Мембрану также можно запрограммировать на отслеживание изменений механического давления, температуры и уровня pH (кислотности), что может помочь сигнализировать о надвигающемся сердечном приступе.
Чтобы изготовить оболочку прототипа, исследователи сначала отсканировали и напечатали в 3D пластиковую модель сердца кролика. Затем они уложили в форму сеть из 68 крошечных электронных датчиков, покрыв ее слоем силиконовой резины, одобренной FDA. После набора каучука лаборанты Роджерса сняли полимер, изготовленный на заказ.
Чтобы проверить мембрану, исследователи обернули ее вокруг настоящего сердца кролика, подключенного к механическому насосу. Команда разработала устройство, чтобы оно было немного меньше, чем фактический орган, чтобы придать ему мягкую, подобную перчатке посадку.
«Хитрость здесь, - говорит Роджерс, - это то, что мембрана должна иметь такой размер, чтобы она могла создавать достаточно давления, чтобы электроды находились в достаточном контакте с поверхностью. Слишком сильное нажатие заставит сердце реагировать на отрицательный путь. "
«Это должно соответствовать как раз», добавляет он.
Как сказал The Scientist Майкл Макалпин, инженер-механик из Принстонского университета, который не принимал участия в исследовании : « Что нового и впечатляющего, так это то, что они интегрировали ряд различных функций в мембрану, которая покрывает всю поверхность сердца . Этот разброс датчиков обеспечивает высокий уровень пространственного разрешения для мониторинга сердца и обеспечивает больший контроль, когда дело доходит до стимуляции ».
Так что же нужно, чтобы этот прорыв прошел от лаборатории к пациенту? Роджерс оценивает, по крайней мере, еще одно десятилетие развития, прежде чем что-то будет готово для медицинского рынка. В то же время он планирует продолжить сотрудничество с инженером-медиком из Вашингтонского университета Игорем Ефимовым, чтобы усовершенствовать доказательство концепции в практической, безопасной и надежной технологии.
Одним из основных препятствий является выяснение того, как питать мембрану без обычных батарей. В настоящее время Роджерс и его команда изучают несколько альтернатив, таких как ультразвуковая зарядка, метод, при котором мощность передается беспроводным способом через кожу, а также использование пьезоэлектрических материалов, которые улавливают энергию из окружающей среды. Для последнего есть прецедент успеха. Два года назад инженеры из Мичиганского университета использовали эти материалы для разработки кардиостимулятора, работающего исключительно на сердцебиении пользователя.
«Поскольку мы пытаемся внедрить намного больше датчиков, а также передавать электрические импульсы и тепло, потребуется больше энергии, чем количество, генерируемое для обычных кардиостимуляторов», - говорит Роджерс. «В будущем мы надеемся, что сможем повысить эффективность».
Другой важный элемент - это способ отправки данных на внешний гаджет, чтобы пациенты и специалисты могли получить к ним доступ. Прямо сейчас датчики регистрируют такие вещи, как изменения температуры и PH, среди других моделей, но ученым еще предстоит найти способ доставки этих данных по беспроводной связи.
«Связь по Bluetooth имеет низкое энергопотребление, поэтому мы смотрим на это», - говорит Ефимов. «По сути, для устройства потребуется больше компонентов, и нам понадобятся специалисты в других областях, таких как электроника, телеметрия и программное обеспечение. Таким образом, в конечном итоге нам придется привлечь венчурный капитал и основать компанию ».
В данный момент основное внимание уделяется тому, чтобы рукав работал как практичное устройство; невозможно сказать, сколько это будет стоить для производства, или сколько это будет стоить потребителям, когда дело доходит до рынка.
Однако главный вопрос заключается в том, будет ли сердечный носок функционировать безопасно и эффективно in vivo или у реальных живых испытуемых. Кардиостимуляторы обычно могут длиться 10 лет. Таким образом, чтобы быть практичным, изобретение Роджерса также должно было бы продемонстрировать, что оно может оставаться работоспособным, по крайней мере, так долго. Команда готовится сделать следующий шаг вместе с пилотом, который проверит мембрану внутри живого кролика, тест, который они надеются завершить с финансированием из Национального института здоровья, а также с другими грантами, которые они работают для обеспечения. Если все пойдет хорошо, следующим тестом будет ли гаджет работать на людях.
