Носимые датчики и традиционные методы лечения

Носимые датчики и традиционные методы лечения

Выпуск 5(6679) от 07 марта 2019 г.
РУБРИКА: МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Вопросы неинвазивных и малоинвазивных методов лечения и диагностики давно находятся в центре внимания мирового медицинского сообщества. Последние достижения в области носимых датчиков могут пошатнуть позиции традиционных методик лечения пациентов. Современные сенсорные технологии уже обеспечивают неинвазивное получение, запись и передачу информации об основных показателях здоровья человека. Дальнейшие успехи в этой области могут способствовать перенесению значительной части медицинской диагностики из больниц прямо на дом к пациентам.

В настоящее время только в США десятки фирм, включая Apple, Fitbit, Garmin и Google, производят носимые датчики, фиксирующие движения человека и записывающие основные данные о состоянии его здоровья. Для считывания этих данных и передачи их на смартфон с использованием Bluetooth или Wi-Fi многие из подобных приборов используют технологию оптической телеметрии. При том что на рынке смартфонов наблюдается существенное замедление роста продаж, вызванное частично тем, что пользователи дольше, чем ранее, не обновляют свои аппараты, сегмент носимых датчиков, крепящихся на теле, до сих пор представляет собой фактически неосвоенную территорию.


PPG В МАССЫ

Последнее поколение приборов корпораций Apple и Fitbit для мониторинга частоты сердечных сокращений использует фотоплетизмографию (PPG) – ​методику, разработанную более 50 лет назад. В ее рамках для просвечивания кожи и нижележащих сосудов применяется СИД зеленого свечения или СИД ближней ИК-области спектра, а фотодиод принимает отраженное излучение, фиксируя импульс каждого удара сердца.

Фотоплетизмография и пульс-оксиметрия представляют большой интерес, так как отличаются дешевизной и простотой, а также позволяют осуществлять непрерывный мониторинг. PPG, в частности, является составной методикой измерения микроциркуляции (капиллярного кровообращения) и макроциркуляции (кровообращение в сердце и во всех больших сосудах).

Но измерение частоты сердечных сокращений – ​это далеко не все. Исследователи и производители носимых приборов применяют новые конструкции, методы изготовления и материалы для создания новых технологических платформ, способных изменить отношения человека как с собственным телом, так и со всей системой здравоохранения. Специалисты Ньюкаслского университета (Великобритания) разработали портативную PPG-систему, способную за считаные минуты выявить потенциальную закупорку артерий у пациентов с заболеванием периферических артерий (ЗПА). Распределенная PPG-система включает в себя дешевые оптические датчики, расположенные на различных частях тела, и позволяет провести доступную и быструю диагностику, что очень важно при повышенном риске сердечного приступа или инсульта. Стандартные на сегодня сосудистые тесты, используемые при оказании первой помощи и включающие определение лодыжечно-плечевого индекса, занимают больше времени и могут представлять определенную сложность в осуществлении.

Тенденция перемещения некоторых приборов из медицинских учреждений в жилища пациентов предполагает их доступность (и физическую, и стоимостную). При минимальной подготовке самих пациентов предполагается, что такие приборы должны быть автоматическими. Таким образом, можно говорить о домашней диагностике (под удаленным контролем) и носимых медицинских датчиках, мало чем отличающихся от обычных часов или других повседневно носимых людьми приборов.

Достижения в области миниатюризации, корпусирования и способов фиксации на теле будут способствовать снижению барьеров принятия перспективных носимых медицинских датчиков.


ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ТАТУ

Специалисты Северо-Западного университета (г. Эванстон, шт. Иллинойс, США) проводят работы по миниатюризации медицинских датчиков, считая это направление наиболее перспективным для интегрируемых в тело и располагаемых на теле приборов, в которых светоизлучающие и фиксирующие отраженный свет компоненты могут быть расположены на платформах миллиметровых размеров.

Разрабатываемые специалистами Северо-Западного университета приборы представляют собой оптические носимые датчики, имитирующие временные татуировки. Размещать их можно на коже (рис. 1) или ногтях (рис. 2). При их изготовлении используются хорошо известные электронные и опто-электронные материалы, такие как кремний, GaAs и GaN. Композитная структура позволяет легко интегрировать прибор с телом. Разработчики подчеркивают важность этого аспекта, потому что он позволяет использовать множество производственных подходов, характерных для потребительской электроники.



Источник: Северо-Западный университет США

Рисунок 1. Ультратонкая кожеподобная оптоэлектронная система, способная считывать фотоплетизмограммы, измерять насыщенность крови кислородом и передавать данные на смартфон с использованием беспроводного интерфейса



Источник: Северо-Западный университет США

Рисунок 2. Прибор миллиметрового размера, осуществляющий точные измерения УФ-излучения и передающий данные на смартфон по беспроводному интерфейсу


Помимо собственно датчиков ученые Северо-Западного университета разрабатывают и более сложные системы (рис. 3).



Источник: Северо-Западный университет США

Рисунок 3. Комплексная система фотоплетизмографии, состоящая из оптических датчиков и пункта

дистанционного мониторинга (для пациентов, страдающих заболеванием периферических артерий)


Создаваемые в Северо-Западном университете датчики способны считывать данные PPG, и сейчас внимание разработчиков сосредоточено на приборах с клинической значимостью, т. е. тех, на которых проводятся измерения в больницах и лабораториях. Предполагается дополнить «татуировки» более сложными оптоэлектронными компонентами, осуществляющими спектроскопические определения характеристик тканей.

Особое внимание уделяется прочности прикрепления приборов к коже или ногтям – ​для исключения помех, возникающих при движении или ином воздействии. Установка на ногтях дает возможность использовать устойчивые прилипающие составы без риска вызвать раздражение на месте прикрепления прибора к коже. Устанавливаемый на ногтях датчик называется UV Sense, он был создан по заказу косметической компании L’Oréal. Связанное с датчиком телефонное приложение предоставляет владельцу данные об уровне УФ-излучения, используя геолокацию для отслеживания соответствующих метеорологических данных. Датчик и прикладная программа были впервые продемонстрированы на выставке потребительской электроники в Лас-Вегасе в 2018 г.


СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ПЛАСТИКИ

Специалисты Сент-Эндрюсского университета (Шотландия) также считают, что адаптируемые к человеческому телу датчики – ​важная тенденция развития современной медицины. При конструировании органических полупроводников для гибких носимых оптоэлектронных датчиков они используют методы обработки решений. Новые пластиковые датчики диаметром 2 см не похожи на традиционные органические СИД-точечные источники света. Эти приборы уже использовались для лечения базальноклеточного рака в рамках фотодинамической терапии. Исследователи указывают, что широкое использование пластмасс в повседневной жизни человека обусловлено как огромным диапазоном возможных структур и, следовательно, потенциальных свойств, так и возможностью создания гибких и тонких изделий.

Разработчики Сент-Эндрюсского университета использовали светоизлучающий пластик для создания гибкого оптоэлектронного датчика насыщенности тканей кислородом. Пока это только доказательство концепции, но, по всей видимости, подобные приборы можно использовать для измерения нейронной активности, основываясь на данных по локальной насыщенности мозга кислородом.

В ходе другого эксперимента исследователи прикрепили пары своих приборов к бицепсу пациентки, управляющей роботизированной рукой (манипулятором). Система распознала изометрические и изотонические сокращения мышц: разница в рассеянии света вдоль и поперек мышечного волокна изменяется при движении, за счет чего исследователи и получали соответствующие сигналы.

Специалисты Сент-Эндрюсского университета полагают, что органическая оптическая электроника позволит пациентам с ампутированными конечностями неинвазивно управлять протезами.

Поскольку созданные в Шотландии приборы на светоизлучающих пластинах малозаметны и вполне комфортны, они позволяют вести непрерывный мониторинг. Возможность непрерывного контроля основных жизненных показателей – ​одна из областей, в которой следующее поколение носимых приборов может помочь преобразовать отношения пациентов с системой здравоохранения. К примеру, кровяное давление может колебаться изо дня в день, из часа в час. Лечащий врач может проводить медикаментозное лечение гипертензии, но пациент все равно должен регулярно измерять давление, иначе он подвергает себя опасности.


КОНТРОЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ

Непрерывный контроль концентрации глюкозы в крови может революционизировать лечение диабета. Неинвазивные и минимально инвазивные методы контроля уровня глюкозы уже избавили около 25% взрослых американцев, страдающих диабетом, от регулярной сдачи клинических анализов.

Группа ученых Калифорнийского университета (г. Лос-Анджелес) – ​один из немногих в мире разработчиков подобных датчиков. В рамках проекта, финансируемого Национальным научным фондом, они объединили свои усилия с коллегами из Сельскохозяйственного и политехнического университета Техаса, Университета Райса (г. Хьюстон) и Флоридского международного университета (г. Майами) с целью создания миниатюрных подкожных имплантатов, контролирующих концентрацию глюкозы в тканевых жидкостях с использованием светового излучения. Для считывания информации на коже над вживленным датчиком закрепляется носимый считыватель, содержащий КМОП-формирователь сигналов изображения.

Разработчики предполагают, что создаваемые ими системы будут пользоваться высоким спросом – ​в связи с особой важностью непрерывного мониторинга состояния здоровья групп населения повышенного риска и пациентов с хроническими состояниями. Отмечается, что имплантат вводится под кожу на глубину всего 1–2 мм. Несмотря на то что оптика обладает определенными преимуществами, подход, объединяющий оптический и электрохимический методы, может оказаться предпочтительным решением.

Исследователи Калифорнийского университета также разрабатывают носимые микроскопы с вычислительными возможностями. Эти легкие, размером со спичечный коробок, приборы формируют изображение крупных участков кожи и подкожного слоя с целью поиска различных биомаркеров. Носимый микроскоп позволяет избежать помех, вызванных, к примеру, автофлуоресценцией тканей, поскольку алгоритм вычислительной части микроскопа автоматически вычитает шум из сигнала.


КОНТРОЛЬ НАСЫЩЕННОСТИ КРОВИ КИСЛОРОДОМ

Корпорация Profusa (г. Сан-Фран-циско, шт. Калифорния, США) создала платформу Lumee Oxygen Platform. Приборы на ее основе действуют подобно имплантируемым приборам контроля концентрации глюкозы в крови Калифорнийского университета. Биодатчик на основе гидрогеля диаметром несколько сот микрон вводится подкожно на малую глубину, где он связывается с кислородом, растворенным во внутритканевой жидкости. Носимое на коже считывающее устройство освещает датчик, записывает отраженную флуоресценцию в реальном масштабе времени и определяет уровень кислорода в крови и тканях. Отмечается, что подобные датчики (рис. 4) могут работать непрерывно до нескольких лет.



Источник: Profusa Inc.

Рисунок 4. Изображение носимого на коже оптического считывателя Profusa и подкожного биодатчика


Биодатчик действует как преобразователь сигналов, переводящий уровни заданного биомаркера в световые сигналы. Носимый считыватель состоит из маломощного СИД, фотоприемника и фильтра окружающего света.

Контроль насыщенности крови и тканей кислородом – ​это только первый шаг. Специалисты корпорации Profusa намерены создать комплексный биодатчик, способный одновременно измерять насыщенность крови кислородом, глюкозой и лактатом (соль молочной кислоты). Таким образом, врач получает возможность сразу, на основе данных из одного источника, оценить общее метаболическое здоровье человека.


НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ БИОМАРКЕРЫ

Имплантируемые биодатчики в сочетании с носимыми оптическими считывателями, обеспечивающие минимально инвазивный непрерывный мониторинг состояния здоровья по ключевым биомаркерам, похоже, готовы вывести ряд медицинских услуг из клинических в домашние условия. Однако существуют и другие подходы. Так, специалисты корпорации Gentag (г. Вашингтон, округ Колумбия, США) считают, что данная технология не станет прорывной до появления новых биохимических решений в сочетании с новыми биомаркерами, помогающими наиболее полно реализовать преимущества неинвазивных оптических измерений.

Новые химические технологии дают возможность проводить широкий спектр анализов по низкой цене. При этом многие современные анализы просто устарели. Ожидается появление новых оптических биомаркеров, данные с которых можно считывать непосредственно камерами смартфонов, что сделает ненужным использование имплантируемых биодатчиков и специализированных носимых считывающих устройств.

Корпорация Gentag назвала созданное ею решение «печатные химические составы на подложках» (рис. 5). Это одноразовые датчики для специализированных применений. Gentag обладает более чем 100 патентами, покрывающими широкую область сенсорной технологии, и заключила соглашение с Клиникой Мэйо (Mayo Clinic) о создании беспроводных датчиков, предназначенных для использования в лечении ожирения и диабетов. 



Источник: Gentag Inc.

Рисунок 5. Оптический биомаркер, считываемый смартфоном


Специалисты корпорации подчеркивают, что технология беспроводных оптических датчиков не заменит клиническое лечение, но позволит создать «оптимальную технологию сортировки раненых или больных».


ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ В ЗДРАВООХРАНЕНИИ

Медицина сегодня становится ближе к дому, сокращается время пребывания в больнице за счет добольничной диагностики и улучшаются возможности реабилитации в домашней обстановке. Благодаря технологии носимых датчиков пациентам придется все реже обращаться в больницу за проведением анализов и их результатами. Расширяются возможности ранней диагностики и профилактики, что существенно облегчает жизнь пациентов и разгружает учреждения здравоохранения.

Тем не менее технологии носимых оптических приборов еще не полностью коммерциализированы. Многие разработчики подчеркивают, что их цель – ​сначала полностью доказать клиническую значимость своих разработок, а потом вывести их в повседневное пользование в домашних условиях.

 

Ahmed Farooq. Wearable Sensors Challenge Traditional Medical Technology. Biophotonics, January 2019: https://www.biophotonics-digital.com/biophotonics/january_2019/MobilePagedArticle.action?articleId=1456994&app=false#articleId1456994


В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

Profusa, Inc.

Дата основания : 2009 г.
Количество сотрудников: около 30 человек.
Штабквартира: г. Сан-Матео, шт. Калифорния, США.
Годовой доход: частная корпорация закрытого типа, акции на бирже не котируются, финансовые данные не публикуются.

Линейка продукции компании для лечения хронических заболеваний и поддержания здорового образа жизни предполагает биологическую обратную связь. Задача приборов фирмы – ​мониторинг химического состава жидкостей тела в режиме реального времени.

Первое клиническое предложение Profusa – ​кислородная платформа Lumee™, предназначенная для контроля насыщенности кислородом крови, других жидкостей (лимфа и т. д.), тканей как при хронических заболеваниях, так и в ситуации обострения. Кислородная платформа Lumee™ разработана для постоянного мониторинга пораженных тканей, например при заболеваниях периферических артерий, приводящих к сужению кровеносных сосудов и уменьшению притока крови к нижним конечностям, хронических ранах (диабетические язвы, пролежни), не заживающих должным образом, и для нужд реконструктивной хирургии.

Например, заболевание периферических артерий, ЗПА (peripheral artery disease, PAD), характеризуется накоплением холестериновых бляшек в крови, что приводит к атеросклеротическим повреждениям тканей, закупорке артерий в ногах и, как следствие, – ​спастическим болям и хромоте при физической нагрузке или, в более запущенных случаях, гангрене и ампутации. ЗПА поражает до 202 млн человек во всем мире (27 млн – ​в Европе и Северной Америке), причем ежегодное экономическое бремя, связанное с этим заболеванием, превышает 74 млрд долл. только в США.

Кислородная платформа Lumee™ предоставляет врачам возможность непрерывного мониторинга уровня насыщенности тканей кислородом в конечностях пациентов до, во время и после лечения, позволяя своевременно назначить соответствующую терапию, предотвращающую дальнейшее развитие болезни, и, таким образом, спасти пораженные конечности.

Результаты, полученные в ходе первого исследования на людях, показали, что кислородная платформа Lumee™ способна сообщать о локальных уровнях насыщенности тканей кислородом во время хирургического вмешательства при ЗПА, а также в течение 28 дней после операции, при этом риск ее использования для пациентов крайне низок.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ