Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2015
Tekla S. Perry
IEEE Spectrum
Прямо сейчас Роджерс со своими студентами занимается исследованиями растягиваемых датчиков, которые измеряют температуру тела, следят за дозой ультрафиолетового света, а также проверяют пульс и уровень кислорода в крови. Они также разрабатывают датчики, способные отслеживать изменения кровяного давления, анализировать потоотделение и получать сигналы от мозга или сердца для использования в электроэнцефалограммах и электрокардиограммах. Все эти датчики, по словам Роджерса, предназначены для выполнения измерений с точностью, достаточной для их применения в медицинских учреждениях. Этот стандарт намного строже, чем тот, в соответствии с которым производятся обычные потребительские носимые устройства.
Необходимость соблюдения этого стандарта в тонком и эластичном устройстве вынудило Роджерса и его команду переосмыслить то, как выполняются медицинские измерения. Представим, как измеряется кровяное давление. Для этого, как правило, на руку пациента надевают манжету и раздувают ее, пока она не перекроет поток крови. Затем манжета постепенно сдувается, пока кровь снова не начнет течь по сосудам в руке, что позволяет измерить систолическое артериальное давление, то есть показатель давления при сокращении сердца. Манжета продолжает сдуваться до тех пор, пока врач не сможет больше слышать звук протекающей крови. Это дает диастолическое артериальное давление – давление между ударами, когда сердечная мышца расслаблена.
Препятствовать кровообращению крошечный Биоштамп не может. Однако он может измерять пульс в двух точках, находящихся всего в сантиметре друг от друга. На основе этой информации смартфон может вычислить физиологический показатель, называемый скоростью распространения пульсовой волны, и зависящий от изменений артериального давления. Так, исследователи Тони Бэнкс (Tony Banks), Сенг Мин Ли (SeungMin Lee) и Мэтт Фарр (Matt Pharr) из группы Роджерса разрабатывают два типа Биоштампов для измерения пульса. Один из них использует свет; попеременно включая красный и инфракрасный светодиоды, с помощью фотоприемника он регистрирует свет, отраженный от кожи под Биоштампом. Поскольку венозная кровь больше поглощает красный свет, а артериальная – инфракрасный, флуктуации этих уровней поглощения создают сигнал, отображающий характер сердцебиения. В своей основе это тот же способ, который используется в новейших фитнес-браслетах для определения пульса, хотя Биоштамп может получать более стабильный сигнал, благодаря тому, что кожа под ним не смещается. Другой тип считывателя пульса, находящегося сейчас в разработке, использует пьезоэлектрические датчики деформации для мониторинга натяжения и ослабления пластыря, вызываемого кровью, бегущей под ним по сосудам. В данном случае большее натяжение говорит о более высоком давлении.
В любом случае результаты эти измерений, преобразованные в скорость распространения пульсовой волны, дают владельцу информацию об изменении кровяного давления, а не его абсолютной величине. Однако для пациентов, за давлением которых необходимо внимательно следить, и простое отслеживание изменений является жизненно важным. Вместо ежедневного посещения медсестры для проверки давления или домашнего использования громоздкого оборудования мониторинга, пациент может надевать новый Биоштамп каждую неделю или две, калибровать его и просто сканировать штамп с помощью телефона для получения показаний, которые могут быть автоматически отправлены доктору.
Еще одна перспективная версия Биоштампа будет следить за потовыделением. Дэешик Канг (Daeshik Kang) и Ахейон Кох (Aheyon Koh), постдоктора в группе Роджерса, работающие со штатным сотрудником Бэнксом, создали Биоштамп с микрофлюидными каналами, проводящими пот вдоль калиброванного пути. Соприкасаясь с потом, находящийся на этом пути химически чувствительный краситель меняет свой цвет, в то время как другие красители в каналах меняют цвет в соответствии с изменениями уровней глюкозы, молочной кислоты, хлора и натрия. При сканировании с помощью смартфона схема на биоштампе активирует приложение телефона, которое анализирует изменение цвета и предлагает варианты типа «Время для увлажнения» или для страдающей диабетом женщины под наблюдением в течение беременности «Время для посещения врача». Исследователи MC10 в сотрудничестве с группой Роджерса также изучают возможные способы использования этих данных о потовыделении для мониторинга сердечного здоровья.
Эти химически чувствительные Биоштампы, в отличие от полностью электронных носимых устройств мониторинга потовыделения, разрабатываемых сейчас в другом месте, не годятся для многократного использования; в конце тренировки, гонки или стресс-теста, когда вы перестали потеть, очистить канал Биоштампа вы не сможете, и его придется выбросить. Впрочем, они будут настолько дешевыми, что это не будет вас беспокоить.
Роджерс уверен, что Биоштампы станут важнейшими инструментами в больницах. Первые испытания начались в этом году в отделении интенсивной терапии новорожденных в больнице Carle Foundation в г. Урбана, штат Иллинойс, где врачи используют Биоштампы для измерения температуры и других жизненно важных показателей младенцев. Доктора наклеивают Биоштампы на руку, ногу, лоб и грудь каждого ребенка, а питает эти устройства антенна NFC, расположенная под каждым инкубатором.
 |
| Этот Биоштамп является испытательным полигоном для различных эластичных устройств; он включает в себя множество транзисторов, диодов, конденсаторов, LC-генераторов, датчиков температуры и деформации, а также светодиод, катушку индуктивности и простую антенну. |
После первых сообщений о Биоштампах Роджерс и MC10 получили запросы не только от врачей и тренеров, но также и от правительственных чиновников и бизнесменов. Многие узнали о его работе, прочитав одну из публикаций в научных журналах, которых за последние годы вышло более сотни.
«Я читал его статью в журнале Science четыре года назад, – говорит Гуив Бэлуч (Guive Balooch), вице-президент, отвечающий за новые технологии компании L’Oréal, гиганта на рынке средств ухода за волосами и косметики. – Мы вышли на него, поскольку измерение параметров кожи и понимание их изменений во времени может помочь нам разрабатывать и тестировать продукты».
В настоящее время L'Oréal работает с группой разработчиков Биоштампов над датчиком гидратации кожи, контролирующим прохождение тепла через кожу под пластырем. Устройство на пластыре создает крошечный выброс тепла, который детектируется с помощью датчика температуры на том же самом пластыре. L'Oréal надеется, в конечном счете, использовать эту информацию для проверки эффективности своих продуктов; при длительном использовании людьми их продукции пластырь может отслеживать изменения в гидратации, а также более общие изменения, например, старение кожи. Исследователи компании уже провели одно испытание с участием 20 человек, каждый из которых носил по шесть Биоштампов. Первоначальное исследование просто выявило взаимосвязи между гидратацией, температурой, толщиной кожи и путями прохождения тепла через кожу. Но, как ожидает Бэлуч, в течение 5-10 лет технология позволит делать намного больше. Он говорит: «Я хотел бы видеть красивый пластырь на чьем-либо теле, который дает рекомендации по уходу за кожей». L’Oréal также финансирует исследования Биоштампов, предназначенных для измерения экспозиции ультрафиолетовых лучей, чтобы сигнализировать, когда пришло время для повторного нанесения солнцезащитного крема.
Проносив неделю с небольшим урезанную версию Биоштампа, я поймал себя на мысли, что мне хочется закатать рукав и показывать его всем. Увидев в лаборатории Роджерса бесчисленные демонстрации потенциальных применений, а также вспоминая исследование L’Oréal, я даже стал испытывать раздражение по отношению к обычному способу ведения дел. Сидя на солнце в жаркий полдень, я как-то подумал, нужно ли опять наносить солнцезащитный крем, и, посмотрев на наклейки на запястье, подумал: «Вы могли бы сказать мне это, вы знаете».
Позже на той же неделе, почувствовав озноб, я отправился искать термометр. И снова я посмотрел на свой Биоштамп и пожалел, что у него нет такого же датчика температуры, который мне демонстрировали в Иллинойсе. И фитнес-браслет Fitbit Flex, который я носил больше года и считал красивым и гладким, теперь казался мне огромным и неудобным.
Другие исследователи изучают возможность использования термочувствительных Биоштампов для измерения умственного напряжения авиадиспетчеров (чем сложнее мыслительная задача, тем холоднее рука) и возможность применения теплогенерирующих Биоштампов для введения лекарств через кожу. В ходе клинических испытаний в медицинской школе Северо-Западного университета Чикаго команды исследователей протестировали Биоштампы, которые для мониторинга процесса заживления измеряют как температуру, так и поток тепла в тканях. А в больнице Carle Foundation этой весной проходили клинические испытания крепящихся за ухом Биоштампов, которые измеряют электрическую активность мозга для изучения процессов сна. Этот метод будет гораздо менее громоздким, чем использующиеся в настоящее время проводные датчики.
Раумеется, всякое устройство, которое собирает данные о состоянии здоровья, должно гарантировать защиту конфиденциальности пациента, поэтому любые приложения, использующие данные Биоштампов, должны соответствовать требованиям безопасности федерального закона США «О перемещаемости и подотчетности страхования здоровья», а также аналогичных законов других стран. Но, в отличие от прочих устройств сбора данных, в Биоштампах заложен потенциал большей безопасности информации о здоровье. Поскольку Биоштамп невозможно удалить без разрушения, он может являться физическим ключом, используемым для управления доступом к данным как в смартфоне пациента, так и на рабочем месте медсестры.
Ранние испытания различных Биоштампов дали обнадеживающие результаты, но они были очень трудоемкими, поскольку каждый датчик группе Роджерса приходилось проектировать с нуля. Таким образом, у медицинских исследователей имеется много идей связанных с тем, как предлагаемый датчик сможет помочь пациентам, но на его создание могут уйти месяцы, и даже годы. И ограниченный объем памяти штампа, и внешнее питание ограничивают возможные сферы применения.
Для решения этой проблемы Роджерс и MC10 разработали многоразовую версию Биоштампа, сопоставимую по размерам с пластырем Band-Aid, хотя и немного превосходящую его по толще, которая оснащена различными датчиками, аккумуляторами и памятью. Такой пластырь наклеивается на различные участки тела, и собранные с его помощью сигналы могут анализироваться приложениями на смартфонах или планшетах. Эта многоразовая версия содержит бескорпусные микросхемы для средств коммуникации NFC или Bluetooth Low Energy, набор датчиков, небольшие прямоугольники литий-ионных аккумуляторов, а также соединяющие все эти компоненты друг с другом змеевидные катушки, которые Роджерс разработал для эластичных схем, применяемых в похожих на татуировки Биоштампах.
Исследователи начали использовать эти пластыри в клинических испытаниях и в качестве платформы для разработки новых приложений, некоторые из которых могут быть приспособлены для работы с компактными кожеподобными Биоштампами. В 2016 году MC10 планирует вывести эти большие Биоштампы многократного применения на рынок в качестве конкурента современным медицинским устройствам наблюдения за состоянием здоровья. Такие приборы будут функционировать до тех пор, пока, будут держать заряд его аккумуляторы. В зависимости от того, как часто вы будете его заряжать, время работы составит, по крайней мере, два года.
Пока кожеподобная носимая электроника находится на пороге коммерциализации, Роджерс переключает свое внимание с того, что может быть зарегистрировано вне тела, на электронику, которую можно носить внутри. Он сотрудничает с исследователями из Пенсильванского университета, работающими над устройством из 400 электродов, способных вживляться в ткань мозга и отслеживать его активность, сигнализируя об эпилептическом припадке. Ученые провели испытания на кошках и в скором времени начнут эксперименты с приматами.
Другие исследователи на донорских сердцах проводят испытания Биоштампов, которые могут быть закреплены непосредственно на поверхности сердца. Такой тип датчика, и, в конечном счете, целая сеть, полностью покрывающая сердце и получающая энергию от его сокращения, даст детальную информацию о нарушениях ритма и сможет обеспечить более точное управление кардиостимуляторами, в настоящее время располагающими данными лишь из одной точки органа.
В последнее время Роджерс начал задумываться над новой проблемой. Некоторые части тела, такие как мозг и сердце, имеют изгибы и впадины, которые требуют не двух-, а трехмерных решений. Он сказал: «Мы хотели бы иметь возможность не только превращать схемы на планарных пластинах в тонкие, мягкие полоски, которые можно обертывать вокруг сложных поверхностей, но и заставить их самостоятельно собираться в открытые трехмерные форматы с волокнами и массивами взаимосвязанных структур, способных полностью проникать в биологическую систему. Такая возможность приведет нас в совершенно новую область биоинтеграции».
Для реализации этих планов потребуется больше десятилетия. Но в краткосрочной перспективе прогноз Роджерса довольно оптимистичен. Этот полный энтузиазма изобретатель ожидает, что в течение десяти лет почти каждый, проживающий в стране развитого мира, будет носить один или несколько Биоштампов, по крайней мере, какое-то время.
Перенесемся в 2025 год. Если мечты Роджерса и MC10 сбудутся, то в развитой стране ребенок при рождении будет помечен несколькими Биоштампами. Одни, наклеенные на запястье или лодыжку, будут служить в качестве высокотехнологичного медицинского браслета, и потерять его будет гораздо сложнее, чем сегодняшние пластиковые манжеты. Другие, на туловище или на руке, позволят медсестрам, не беспокоя спящего младенца, быстро измерить температуру, насыщенность крови кислородом и пульс. Мать ребенка также будет носить несколько Биоштампов, что в процессе ее восстановления позволит медсестрам контролировать жизненно важные показатели. Больше не потребуется использовать автоматически раздуваемые манжеты для проверки кровяного давления, которые могут разбудить уставшую маму.
В той же больнице пациенты с кардиологическими заболеваниями будут носить Биоштампы, регистрирующие важнейшие параметры, а еще два, закрепленные на лодыжках, будут проверять наличие отеков, чтобы выявить ранние признаки сердечной недостаточности. После выписки таких пациентов Биоштампы будут следить за их состоянием уже дома. Даже медсестры будут носить Биоштампы, чтобы открывать двери и входить в свои учетные записи на компьютерах; эти устройства обеспечат больший уровень безопасности, чем сканирование карт или передача кодов.
Люди, бегущие трусцой вокруг больницы, будут носить Биоштампы, чтобы отслеживать свои достижения в фитнесе. Хотя обычный бегун, вероятно, не страдает серьезными заболеваниями, фитнес-версии Биоштампов заметят ранние признаки кардиологических проблем или двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, и посоветуют владельцу показаться врачу.
Тем временем пассажиры, выстраивающиеся в очередь для посадки на борт круизного судна в близлежащей гавани, в дополнение к Биоштампу, который носят обычно, приклеят еще один. Отмеченный логотипом корабля, он будет служить идентификатором, который разрешит им подняться на судно. Он также откроет двери их каюты, позволит поставить напитки в баре, и даже в течение недели будет контролировать воздействие солнца на кожу, чтобы своевременно предупредить о необходимости нанесения солнцезащитного крема.
Сейчас сложно представить себе столь повсеместное распространение Биоштампов, учитывая, что почти никто их еще даже не видел. Но технологии иногда удивляют нас. iPhone и Android лет 10 назад были еще только в проекте, а теперь они обеспечивают нас постоянным доступом к информации о внешнем мире. Лет десять лет спустя, если Роджерс сумет войти в мир Биоштампов, мы будем знать столько же и о наших внутренних мирах.
