Новые устройства, изготовленные по индивидуальному заказу, могут значительно улучшить мониторинг и лечение заболеваний, тестирование новых лекарств и возможность отслеживать состояние здоровья человека.
Носимые датчики для мониторинга различных параметров - от количества шагов до частоты сердечных сокращений - почти повсеместно распространены. Но для таких сценариев, как определение степени слабости у пожилых людей, оперативная диагностика опасных заболеваний, тестирование эффективности новых лекарств или отслеживание результатов профессиональных спортсменов, необходимы устройства медицинского класса.
Ученые Университета Аризоны разработали способ 3D-печати медицинских носимых устройств, таких как эти, на основе сканирования тела человека. Автор: Лаборатория Гутруфа / Университет Аризоны
Инженеры Университета Аризоны разработали тип носимых устройств, который они назвали "биосимбиотическим устройством" и который отличается рядом неоспоримых преимуществ. Эти устройства не только изготавливаются по индивидуальным заказам с помощью 3D-печати и основаны на сканировании тела пациентов, но и могут работать непрерывно, используя комбинированную беспроводную передачу энергии и ее компактные аккумуляторы. Команда под руководством Филиппа Гутруфа, доцента кафедры биомедицинской инженерии и стипендиата факультета Крейга М. Берга в Инженерном колледже, опубликовала свои результаты в журнале Science Advances.
"Ничего подобного в мире не существует", - сказал Гутруф, член университетского института BIO5. "Мы представляем совершенно новую концепцию адаптации устройства непосредственно к человеку и использования беспроводной передачи энергии, что позволяет устройству работать 24 часа в сутки 7 дней в неделю без необходимости подзарядки".
Возможность индивидуального подхода обеспечивает высокоточный мониторинг
Современные носимые устройства сталкиваются с рядом ограничений. Например, смарт-часы необходимо заряжать, и они могут собирать лишь ограниченное количество данных из-за того, что располагаются на запястье. Используя 3D-сканирование тела пациента, которое может быть получено с помощью таких методов, как МРТ, компьютерная томография и даже тщательно обработанные снимки со смартфона, Гутруф и его команда могут изготовить 3D-печатные устройства, подходящие для различных частей тела. Представьте себе практически незаметную, легкую, дышащую, эластичную сетчатую манжету, разработанную специально для вашего бицепса, икры или торса. Возможность специализированного размещения датчиков позволяет исследователям измерять физиологические параметры, которые иначе они не смогли бы измерить.
"Если вы хотите, например, постоянно измерять температуру тела, то вам лучше разместить датчик в области подмышки. Или, если вы хотите измерить, как происходит естественная трансформация бицепса во время физических упражнений, мы можем разместить датчик в устройствах, которые могут это сделать", - говорит Такер Стюарт, докторант в области биомедицинской инженерии и первый автор статьи. "Благодаря тому, как мы изготовили устройство и прикрепили его к телу, мы можем использовать его для сбора данных, которые традиционное носимое устройство, закрепленное на запястье, не смогло бы собрать".
Поскольку эти биосимбиотические устройства подстраиваются под конкретного человека, они также очень чувствительны. Команда Гутруфа проверила способность устройства отслеживать такие параметры, как температура и давление, когда человек прыгал, ходил по беговой дорожке и использовал гребной тренажер. При испытании на гребном тренажере испытуемые носили сразу несколько устройств, отслеживая интенсивность упражнений и деформацию мышц в мельчайших деталях. Устройства были настолько точны, что могли определять изменения температуры тела, вызванные ходьбой по лестнице.
Технология - Непрерывная, беспроводная и без особых хлопот
Гутруф и его команда не являются первопроходцами в области адаптации носимых устройств для отслеживания состояния здоровья и функций организма. Однако современные носимые устройства не способны отслеживать показатели непрерывно и с достаточной точностью, чтобы можно было бы получить значимые с медицинской точки зрения выводы.
Некоторые носимые устройства, используемые исследователями, представляют собой пластыри, которые наклеиваются на кожу, однако они отклеиваются, если например человек потеет.
Даже самые сложные носимые устройства, используемые в клинических условиях, такие как мониторы ЭКГ, сталкиваются с подобными проблемами. Кроме того, они не являются беспроводными, что существенно ограничивает мобильность. Пациенты не могут заниматься своими обычными повседневными делами, если они привязаны к массивным внешним устройствам.
Биосимбиотическое устройство, которое представила команда Гутруфа, не использует никакого клея и получает энергию от беспроводной системы с радиусом действия в несколько метров. Устройство также включает в себя небольшой накопитель энергии, так что оно будет работать, даже если его обладатель выйдет из зоны действия системы, в том числе и из дома.
"Эти устройства разработаны таким образом, что не требуют никакого взаимодействия с носителем", - сказал Гутруф. "Это так просто - надеть устройство. Затем вы забываете о нем, а оно продолжает выполнять свою работу".
