Американські вчені розробили натільний пристрій, здатний вимірювати кілька параметрів одночасно: кров'яний тиск, пульс і концентрацію кількох біомаркерів. Воно поєднує в собі ультразвукові та електрохімічні датчики, які не впливають один на одного. Підкладка з еластичного полімеру дозволяє легко закріплювати прилад на шкірі, не викликаючи дискомфорту. Такі пристрої допоможуть спостерігати за фізіологічними параметрами пацієнтів з діабетом, серцево-судинними та іншими захворюваннями, а також допоможуть стежити за станом спортсменів під час екстремальних навантажень. Стаття опублікована в.
Нальні датчики для вимірювання кров'яного тиску, пульсу, рівня глюкози в крові та інших фізіологічних параметрів можуть в майбутньому сильно полегшити деякі завдання лікарів. Вже зараз існують розумні годинники, що вимірюють пульс, тиск, а іноді навіть рівень кисню в крові, що особливо актуально. Такі пристрої не викликають дискомфорту, оскільки мають невеликі розміри і використовують неінвазивні методи. Незважаючи на те, що багато фізіологічних параметрів добре фіксуються окремо, особливий інтерес викликають поєднані пристрої, які можуть визначати відразу кілька параметрів. Недавні дослідження дозволили поєднати фізичні сенсори з хімічними: електроди фіксують електрокардіограму і температуру тіла, а хімічні датчики - вміст лактатів і глюкози. Але на сьогоднішній день багато залежностей між вимірюваними параметрами і вмістом біомаркерів в організмі залишаються неясними.
Частота серцевих скорочень і кров'яний тиск - це два найважливіших параметри, що характеризують стан організму. На них впливає рухливість, харчування, стрес, споживання алкоголю і безліч інших факторів. Сам по собі вимір пульсу і тиску вже може багато чого сказати про стан пацієнта. А спільно з вимірюванням концентрацій певних біомаркерів - це дуже сильний інструмент для діагностики та спостереження за станом пацієнта. Прилади, що одночасно вимірюють ці параметри, можуть знайти застосування в профілактиці діабету, ожиріння та серцево-судинних захворювань. Крім цього, такі прилади можуть застосовуватися в неонатології для постійного спостереження за новонародженими. Спортивні дослідження теж часто вимагають невеликих датчиків для вимірювання реакції організму на навантаження.
Вчені під керівництвом Джуліан Семпіонатто (Juliane Sempionatto) з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго розробили суміщений еластичний датчик, який вимірює кров'яний тиск, серцевий ритм, а також рівні біомаркерів: глюкози, молочної кислоти, кофеїну та спирту. Для вимірювання тиску і серцевого ритму пристрій використовує ультразвукові датчики, а для вимірювання рівня біомаркерів - електрохімічні. Завдяки своїй конструкції пристрій може вимірювати всі ці параметри одночасно, а датчики не спотворюють показання один одного. При цьому матеріал підкладки, що складається з стірен-етилен-бутилен-стиренового блок-сополимера, простий у виготовленні. Це сильно прискорює процес виготовлення таких пристроїв і дозволяє їх використовувати навіть при активних фізичних навантаженнях.
Датчик тиску і пульсу являє собою ланцюжок з восьми п'єзоелектриків. На неї подаються електричні імпульси, через що створюються ультразвукові сигнали. Час відображення цих сигналів від стінок артерії дає інформацію про тиск і серцеві скорочення. Хімічний же датчик аналізує піт за допомогою електрофорезу. Тобто, два протилежно заряджених електрода створюють електричне поле в рідині, завдяки чому заряджені молекули починають рухатися. Їх відносини маси до заряду є сигналами і відрізняються для різних молекул. При цьому глюкозу вчені визначали не в поті, а в тканинній рідині. За рахунок того, що в поті в основному містяться негативно заряджені молекули, вони рухаються до позитивно зарядженого електроду. Водночас тканинна рідина та її глюкоза рухаються до негативного заряду. Цей ефект дозволяє розділити молекули біомаркерів і визначати їх окремо.
Щоб датчики пристрою не спотворювали показання один одного, їх відокремили один від одного просторово. Датчик тиску і пульсу автори помістили на відстані одного сантиметра з кожного боку від електрохімічного.
Генерація ультразвукового сигналу вимагає електричних імпульсів високої напруги і частоти, що може впливати на електрохімічні вимірювання. Щоб оцінити цей ефект, автори вмикали і вимикали електрохімічний датчик кожні 30 секунд при постійно працюючому ультразвуковому датчику. Таку ж процедуру проводили навпаки: при електрохімічному датчику, що постійно працює, вмикали і вимикали ультразвуковий. Авторам вдалося підібрати відстань, при якій їх взаємний вплив майже відсутній. При меншій відстані вплив помітний: електрохімічні показання стають неточними і спотворюються.
Механічну міцність пристрою автори випробовували, розтягуючи його вертикально і горизонтально до 20 відсотків уздовж відповідних осей. У підсумку навіть після 200 циклів таких розтягнень у показаннях датчиків не було значних змін, а результати вкладалися в межі похибки. Стабільності ультразвукових датчиків на полімерній підкладці вчені домагалися, впоюючи п'єзоелементи в полімер, змочивши їх толуолом, який розчиняє полімер. Після випаровування толуола п'єзоелементи закріплюються в матеріалі підкладки і їх набагато складніше змістити або деформувати. При різних деформаціях вже на тілі, датчик також зберігає стабільність вимірювань.
Щоб отримати залежність вимірюваних параметрів від фізичного навантаження, автори попросили добровольців крутити велотренажер протягом 30 хвилин, супроводивши це п'ятьма хвилинами відпочинку. Середній тиск при цьому збільшується від 80 до 150 міліметрів ртутного стовпа, від 60 до 80 ударів на хвилину. Рівень молочної кислоти при цьому збільшився вдвічі. Споживання алкоголю теж помітно впливає на вимірювані параметри. Вживання 200 мілілітрів напою з вмістом спирту 19 відсотків у звичайної людини, яка не страждає алкоголізмом, викликало підвищення пульсу з 69 до 85 ударів на хвилину і зростання тиску з 120 до 136 міліметрів ртутного стовпа. Споживання кофеїну добровольцем не викликало помітних змін тиску або пульсу, висловившись тільки в підвищенні концентрації кофеїну в поті. Невеликі зміни пульсу все ж спостерігаються при випробуваннях на добровольці без регулярного споживання кофеїну: з 75 до 88 ударів хвилину. Тиск при цьому залишається на тому ж рівні.
Розробка електроніки - це область, що швидко розвивається. Нальні пристрої застосовують не тільки в приватних цілях, але і в деяких медичних цілях. Наприклад, нещодавно вчені змогли визначити таким пристроєм рівень вітаміну С в поті. Нещодавно фізики розробили генератор, який працює від тепла людського тіла - можливо, скоро натільним приладам навіть не знадобиться зовнішнє джерело енергії.