Днес има много шумотевици около носената електроника - Google например се разраства в бизнеса с очила, докато други компании търсят своя дял на пазара с високотехнологични клипове и часовници, които проследяват какво ядете и как се движите,
Свързано съдържание
- Ирландският кардиолог, чието изобретение спаси LBJ
- Електрониката, която може да се стопи в тялото ви, може да промени света на медицината
Но никой от тях не е отдалечен като това, което разработва Джон Роджърс, носителят на наградата Smithsonian American Ingenuity за 2013 г. в областта на физическите науки. Устройството му, както виждате, е проектирано не само за да пасва като ръкавица, но и може би някой ден ще спаси живота на потребителя.
Ученият по материали, заедно с екипа си от студенти от Университета на Илинойс в Урбана-Шампан, успешно са тествали това, което най-добре се описва като чорап за сърцето. Устройството, монтирано върху цялата повърхност на сърцето, се състои от поредица от сензори, които да наблюдават с невъзмутима точност вътрешната работа на този най-жизненоважен орган. Ако открие смущаваща аномалия, може да предаде данни на медицински специалисти; при спешни случаи, като например по време на сърдечен удар, той може дори да се намеси, като прилага импулс, предизвикан от електрод.
Обикновено сърцето се изпомпва по толкова ефикасен начин, че едва ли забелязваме, че работи. Но за тези със сърдечен ритъм, сърдечните контракции, които не са в синхрон, могат да бъдат инвалидизиращи - причинявайки главоболие, слабост, повръщане и болки в гърдите, за тези с аритмия - или в някои случаи смъртоносни. С течение на времето ритмичните нередности могат да причинят образуване на кръвни съсиреци (които понякога водят до инсулти) и в крайни случаи - спиране на сърцето.
Обикновено лекарите могат да предписват лекарства, за да коригират този вид проблеми. Но в някои случаи пациентите трябва да се обърнат към хирургични интервенции като пейсмейкъри или импланти с дефибрилатор. И макар тези устройства да работят достатъчно, механизмът, който използват за регулиране на сърдечната дейност на човека, всъщност е доста суров. С дефибрилаторни импланти двойка електроди е разположена вътре в сърдечната камера. Винаги, когато се открие животозастрашаваща аритмия, дефибрилаторът изпраща електрически удар, който връща сърцето обратно в нормален ритъм. Проблемът с този подход, казва Роджърс, е, че активността от друг регион на сърцето може по грешка да предизвика болезнено трептене, когато всъщност няма нужда от това.
Устройството на Роджърс затваря сърцето в много по-сложна сензорна система, която може да определи точно къде се появява ритмична нередност. В известен смисъл тя функционира като нервните окончания на вторична кожа.
„Това, което искахме, беше да използваме пълната мощност на технологията на веригата“, казва Роджърс за устройството, което е две години и половина в изработката. „С много електроди устройството може да темпова и да стимулира по-целенасочено, Доставянето на топлина или импулси до определени места и извършването му в измерими дози, които са достатъчно достатъчни, е важно, защото прилагането на повече от необходимото е не само болезнено, но може да увреди сърцето. "
Тази стъпка по стъпка диаграма илюстрира как е създадено сърдечното устройство. (Университет на Илинойс и Вашингтонския университет) Освен потенциала си като спешен сърдечен имплантат, еластичността на сърдечния чорап дава възможност за набор от други електронни и неелектронни сензори, които могат да следят нивата на калций, калий и натрий - считани за ключови показатели за здравето на сърцето. Мембраната също може да бъде програмирана да проследява промените в механичното налягане, температурата и нивата на рН (киселинност), всички от които могат да помогнат за сигнализиране на предстоящ сърдечен удар.
За да изработят обвивката на прототипа, изследователите първо сканирали и 3D отпечатали пластмасов модел на сърцето на заека. След това те подредиха мрежа от 68 миниатюрни електронни сензора върху матрицата, покривайки я със слой от одобрен от FDA материал от силиконов каучук. След каучуковия комплект лабораторните асистенти на Роджърс се отлепиха от подготвения по поръчка полимер.
За да тестват мембраната, изследователите са я увили около истинско заешко сърце, закачено за механична помпа. Екипът проектира устройството да е малко по-малък от реалния орган, за да му придаде нежно прилепване на ръкавица.
"Най-сложното тук", казва Роджърс, е, че мембраната трябва да бъде оразмерена по начин, който може да създаде достатъчно налягане, за да поддържа електродите в достатъчен контакт с повърхността. Натискането твърде силно ще доведе до реакция на сърцето отрицателен начин. "
„Трябва да се побере точно както трябва“, добавя той.
Както Майкъл МакАлпин, инженер-механик от университета в Принстън, който не е участвал в изследванията, каза за The Scientist : „ Новото и впечатляващото тук е, че те са интегрирали редица различни функционалности в мембрана, която покрива цялата повърхност на сърцето Това разпространение на сензори осигурява високо ниво на пространствена разделителна способност за сърдечно наблюдение и предлага повече контрол, когато става дума за стимулация. "
И така, какво ще е необходимо за този пробив да премине от лаборатория до пациент? Роджърс оценява поне още едно десетилетие на развитие, преди нещо да може да бъде готово за медицинския пазар. Междувременно той планира да продължи сътрудничеството с биомедицинския инженер от Университета във Вашингтон Игор Ефимов, за да усъвършенства доказването на концепцията в практична, безопасна и надеждна технология.
Една от основните пречки е да разберете как да захранвате мембраната без конвенционални батерии. В момента Роджърс и неговият екип проучват няколко алтернативи, като ултразвуково зареждане, метод, при който мощността се предава безжично през кожата, както и използване на пиезоелектрически материали, които улавят енергия от заобикалящата среда. За последното има някакъв прецедент за успех. Преди две години инженерите в Мичиганския университет впрегнаха такива материали, за да разработят пейсмейкър, задвижван единствено от сърдечната дейност на неговия потребител.
"Тъй като се опитваме да включим много повече сензори, както и да доставяме електрически импулси и топлина, това ще отнеме повече енергия, отколкото количеството, генерирано за конвенционалните пейсмейкъри", казва Роджърс. "В бъдеще се надяваме, че можем да подобрим ефективността."
Друг важен елемент е да се насочите към начин за изпращане на данни към външна джаджа, така че пациентите и специалистите да имат достъп до нея. В момента сензорите записват неща като промени в температурата и PH, сред другите модели, но учените все още не са измислили начин да предадат тези данни безжично.
„Bluetooth комуникацията е слабо захранвана, затова разглеждаме това“, казва Ефимов. „По принцип устройството ще изисква повече компоненти и ще ни трябват експерти в други области като електроника, телеметрия и софтуер. Така че в крайна сметка ще трябва да съберем рисков капитал и да създадем компания. "
В момента акцентът е превръщането на ръкава като практическо устройство; не се казва колко ще струва производството му или колко ще струва на потребителите, когато става въпрос за пазара.
Големият въпрос обаче е в крайна сметка дали сърдечният чорап ще функционира безопасно и ефективно in vivo, или в реални живи тествани лица. Пейсмейкърите обикновено могат да издържат 10 години. Така че, за да бъде практичен, изобретението на Роджърс също трябва да демонстрира, че може да остане в действие поне толкова дълго. Екипът се готви да предприеме тази следваща стъпка с пилот, който ще тества мембраната вътре в жив заек, тест, който те се надяват да завършат с финансиране от Националните здравни институти, заедно с други субсидии, които работят за осигуряване. Ако всичко върви добре, следващият тест за това дали джаджата е задушен ще бъде върху хората.
