Kandva elektroonika ümber on tänapäeval palju suminat - näiteks Google laieneb prillideärisse, teised ettevõtted otsivad oma turuosa kõrgtehnoloogiliste klippide ja kellade abil, mis jälgivad, mida sööte ja kuidas liigute .
Seotud sisu
- Iiri kardioloog, kelle leiutis päästis LBJ
- Elektroonika, mis võib su kehas sulada, võib muuta meditsiinimaailma
Kuid ükski neist pole eemalt, nagu see, mida arendab Smithsoniani 2013. aasta Ameerika leidlikkuse auhinna võitja füüsiliste teaduste alal John Rogers. Tema seade, nagu näete, ei ole konstrueeritud mitte ainult sobivaks nagu kinda, vaid võib-olla päästab see kunagi ka kasutaja elu.
Materjaliteadlane on koos oma Illinoisi ülikooli Urbana-Champaigni tudengite meeskonnaga edukalt testinud seda, mida kõige paremini kirjeldatakse kui südame sokki. Kogu südame pinnale paigaldatud seade koosneb anduritest, mis jälgivad vaikiva täpsusega selle kõige elutähtsama organi sisemist tööd. Kui see tuvastab murettekitava kõrvalekalde, võib see edastada andmeid meditsiinitöötajatele; hädaolukorras, näiteks südameinfarkti ajal, võib see sekkuda isegi elektroodi põhjustatud impulsi manustamisega.
Tavaliselt pumpab süda nii tõhusalt, et vaevalt märkame, et see töötab. Kuid südame rütmihäiretega inimestel võivad sünkroonsed südame kokkutõmbed olla kurnavad - põhjustades peapööritust, nõrkust, oksendamist ja valu rinnus, rütmihäiretega inimestele - või mõnel juhul surmavad. Aja jooksul võivad rütmilised ebakorrapärasused põhjustada verehüübed (mis mõnikord põhjustavad insuldi) ja äärmuslikel juhtudel südame seiskumist.
Selliste probleemide lahendamiseks võivad arstid tavaliselt välja kirjutada ravimeid. Kuid mõnel juhul peavad patsiendid pöörduma kirurgiliste sekkumiste poole, näiteks südamestimulaatorite või defibrillaatori implantaatide poole. Ja kuigi need seadmed töötavad piisavalt piisavalt, on inimese südametegevuse reguleerimiseks kasutatav mehhanism tegelikult üsna toore. Defibrillaatori implantaatidega paigutatakse paar elektroodid südamekambrisse. Kui avastatakse eluohtlik rütmihäire, saadab defibrillaator elektrilöögi, mis viib südame tagasi normaalsesse rütmi. Rogersi sõnul on sellise lähenemisviisi probleem selles, et südame teisest piirkonnast pärit tegevus võib ekslikult esile kutsuda valusa löögi, kui selleks pole tegelikult vajadust.
Rogersi seade sulgeb südame palju keerukamas sensoorses süsteemis, mis võimaldab täpselt tuvastada, kus toimub rütmiline ebaregulaarsus. Teatud mõttes toimib see nagu sekundaarse naha närvilõpmed.
"See, mida me tahtsime, oleks vooluringi tehnoloogia täieliku võimsuse kasutamine, " räägib Rogers seadme tootmisest, mille valmistamiseks on kulunud kaks ja pool aastat. "Paljude elektroodide abil saab seade sihipärasemalt tempot tõsta ja stimuleerida. . Soojuse või impulsside kohaletoimetamine kindlatesse kohtadesse ja mõõtmistes piisavate annuste andmine, mis on lihtsalt piisavalt piisavad, on oluline, kuna rohkema kui vajalik rakendamine pole mitte ainult valus, vaid võib ka südame kahjustada. "
See samm-sammuline diagramm illustreerib südameseadme loomist. (Illinoisi ülikool ja Washingtoni ülikool) Lisaks südame hädaolukorras kasutatava implantaadi potentsiaalile võimaldab südame soki elastsus ka hulgaliselt muid elektroonilisi ja mitteelektroonilisi sensoreid, mis võimaldavad jälgida kaltsiumi, kaaliumi ja naatriumi taset - mida peetakse südame tervise peamisteks näitajateks. Membraani saab programmeerida ka mehaanilise rõhu, temperatuuri ja pH taseme (happesuse) muutuste jälgimiseks - need kõik võivad aidata eelseisvast südameatakist märku anda.
Prototüübi kesta valmistamiseks skaneerisid teadlased ja printivad 3D jänese südame plastmudeli. Seejärel paigutasid nad vormi kohale 68 pisikesest elektroonilisest andurist koosneva veebi, kattes selle FDA kinnitatud silikoonkummist materjali kihiga. Pärast kummikomplekti koorisid Rogersi labori abistajad eritellimusel valmistatud polümeeri.
Membraani testimiseks pakkisid teadlased selle ümber tõelise küüliku südame, haagitud mehaanilise pumba külge. Meeskond tegi seadme tegelikust elundist pisut väiksemaks, et anda sellele õrn ja kinnas.
"Siin on keeruline asi, " ütleb Rogers, "see, et membraan peab olema sellise suurusega, et see suudaks tekitada just piisavalt survet, et hoida elektroodid pinnaga piisavalt kontaktis. Liiga tugevalt vajutades paneb süda reageerima negatiivsel viisil. "
"See peab sobima täpselt sobivaks, " lisab ta.
Nagu teadlastega mitte seotud Princetoni ülikooli mehaanikainsener Michael McAlpine ütles teadlasele : " Siin on uus ja muljetavaldav see, et nad on integreerinud terve südame pinna katvasse membraani mitmeid erinevaid funktsioone. See andurite levik tagab südame jälgimiseks kõrge ruumilise eraldusvõime ja pakub stimulatsiooni osas paremat kontrolli. "
Mida kulub selleks, et see läbimurre laborist patsiendini üle läheks? Rogersi hinnangul peaks veel vähemalt kümme aastat arendustööd toimuma, enne kui midagi võiks meditsiinituruks valmis olla. Vahepeal kavatseb ta jätkata koostööd Washingtoni ülikooli biomeditsiiniinseneri Igor Efimoviga, et täpsustada kontseptsiooni tõestusmaterjal praktiliseks, ohutuks ja usaldusväärseks tehnoloogiaks.
Üks peamine takistus on välja mõelda, kuidas membraani toita ilma tavaliste akudeta. Praegu uurivad Rogers ja tema meeskond mõnda alternatiivi, näiteks ultraheli laadimist - meetodit, mille käigus energia edastatakse juhtmevabalt läbi naha, samuti kasutatakse piesoelektrilisi materjale, mis hõivavad ümbritsevast keskkonnast energiat. Viimase jaoks on olemas mingi edu pretsedent. Kaks aastat tagasi kasutasid Michigani ülikooli insenerid selliseid materjale, et töötada välja südamestimulaator, mille toiteallikaks oleks ainult kasutaja südamelöögid.
"Kuna me üritame kaasata palju rohkem andureid, aga ka edastada elektrilisi impulsse ja soojust, kulub see rohkem energiat kui tavalistele südamestimulaatoritele genereeritav kogus, " räägib Rogers. "Tulevikus loodame, et saame tõhusust parandada."
Teiseks oluliseks elemendiks on andmete saatmine välisele vidinale suunamine, et patsiendid ja spetsialistid saaksid sellele juurde pääseda. Praegu registreerivad andurid muu hulgas temperatuuri ja PH muutusi, kuid teadlased pole veel välja mõelnud viisi, kuidas neid andmeid juhtmevabalt edastada.
"Bluetooth-ühendus on vähese energiatarbimisega, seega vaatame seda, " räägib Efimov. „Põhimõtteliselt vajab seade rohkem komponente ja meil on vaja eksperte teistes valdkondades, näiteks elektroonika, telemeetria ja tarkvara. Nii et lõpuks peame võtma riskikapitali ja asutama ettevõtte. "
Praegu keskendutakse sellele, et hülss toimiks praktilise seadmena; seal ei öelda, kui palju selle tootmine maksab või kui palju see turule toomise korral tarbijatele maksma läheb.
Suur küsimus on aga lõpuks see, kas südame sokk töötab ohutult ja tõhusalt in vivo või reaalsetes elus testitavatel. Südamestimulaatorid võivad tavaliselt kesta 10 aastat. Nii et ka Rogersi leiutis peaks olema praktiline, peab see tõestama, et see suudab vähemalt nii kaua töötada. Meeskond kavatseb astuda järgmise sammu piloodiga, kes testib membraani elava jänese sees - testi, mille nad loodavad täita riiklike tervishoiuinstituutide rahastusega koos muude toetustega, mille nimel nad töötavad. Kui kõik läheb hästi, on järgmine katse, kas vidin suudab nuusutada, inimestel.
