Biosensorer behagelige nok til at bære 24-7

Mange medicinske sensorer, som den slags, der bruges til hjertemonitorerende elektrokardiogrammer (EKG'er) eller hjernemonitorerende elektroencefalogrammer (EEG'er), kræver direkte hudkontakt og et klæbrigt lag gel for at hjælpe med at lede elektriske signaler. Begge teknologier kan være bemærkelsesværdigt præcise, men de overføres ikke let fra hospital til hjem. Nu mener forskere ved University of California, San Diego, at de kan have løst den klæbrige situation med en sensor, der kan læse EKG og andre data gennem tøj uden nogensinde at røre huden.

Hjernesensor: En ny kontaktfri sensor (nederst) kan indlejres i et pandebånd og registrere elektrisk aktivitet gennem hår og materiale uden at røre hovedbunden.

Forskere har haft svært ved at udvikle noget, der pålideligt kan registrere hudens polaritetsændringer uden direkte kontakt. EKG-elektroder registrerer den tid, det tager for bølger af skiftende polaritet (forårsaget af hjerte-muskelsammentrækninger) at rejse til forskellige sensorer, hvilket afslører den elektriske aktivitet i forskellige dele af hjertet. I øjeblikket kræver disse sensorer en gel eller et allergifremkaldende klæbemiddel. Ikke-klæbende eller tørre sensorer er ubehagelige og særligt følsomme over for bevægelse, så de kan ikke bruges uden for klinikken eller i længere perioder.

I stedet for at bruge elektroder byggede UCSD-forskerne en kapacitiv sensor, som leder meget svagere signaler, men som kan gøre det over små afstande. Mens konceptet går årtier tilbage, har tidligere forsøg på at bygge sådanne sensorer været upraktiske til masseproduktion - de havde en tendens til enten at være for dyre, for følsomme over for støj udefra eller begge dele. Sensoren udviklet af bioingeniør Gert Cauwenberghs og hans kandidatstuderende, Mike Chi, bruger hyldekomponenter og smarte kredsløb til at omgå disse problemer. Den resulterende sensor kan registrere svage ændringer i kapacitansen og forstærke dem, mens den udelukker den omgivende elektriske støj, der findes overalt omkring os. Det, der er derude i dag, kræver flere diskrete komponenter, siger Chi. Vores proces gør det pålideligt og billigt, så vi har et kredsløb, der kan masseproduceres.

Chis sensor er knapt større end en fjerdedel, og når flere sensorer er indlejret i materiale og koblet sammen, skaber de en bærbar skærm, som patienter kan bære over tøjet, mens de går i gang med deres daglige rutine. Dette kan betyde øget overvågningstid og bedre compliance fra patienter.

I øjeblikket, når kardiologer ønsker at vide, hvordan en patients hjerteaktivitet ser ud i en længere periode, er de nødt til at sende dem hjem med en Holter-monitor, en bærbar EKG-enhed, der anvender de samme kablede, klæbrige elektroder, som bruges på hospitalet. Men denne monitor kan kun bruges i op til 48 timer, og unormale hjerterytmer forekommer ikke altid i så kort et tidsrum. Mange af disse begivenheder er forbigående, og med nutidens teknologi går du faktisk glip af begivenhederne, fordi du ikke kan fange dem pålideligt, siger Chi. Hvis en patient kunne bære en vest over sit tøj, kunne en sådan overvågning fortsætte så længe, ​​som en læge krævede.

Smart tøj: Når de er indlejret i en vest, kan de nye kontaktfri sensorer registrere hjerteaktivitet gennem en T-shirt og kan bæres i en uge eller mere.

Inkorporering af sensorerne i et pandebånd gør det også muligt at overvåge noget elektrisk aktivitet i hjernen. For et engangslægebesøg med EKG og EEG er det sandsynligvis lige meget, om du [bruger sticky-sensorer] eller ej. Men for langvarig brug gør det bestemt en forskel, siger Maysam Ghovanloo , en bioingeniør ved Georgia Institute of Technology.

UCSD-gruppen samarbejder med en gruppe ved Oregon State University om at skabe en fuldstændig trådløs version af sin sensor med en Bluetooth-sender, der kan videresende information til en modtager. Jeg tror, ​​at det, de laver, er et virkelig vigtigt bidrag, siger Eric Topol, direktør for Scripps Translational Science Institute i San Diego og specialist i trådløs sundhed. Jeg synes, det er meget levedygtigt og attraktivt, og det er en velkommen tilføjelse til det trådløse sensorværktøjssæt.

På lang sigt håber Chi og Cauwenberghs, at sensorerne også kan være nyttige til at fremme hjerne-computer-grænsefladeapplikationer. Vi ønskede at bygge en meget følsom sensor, der kan modtage signaler pålideligt gennem håret uden nogen rodede geler eller slid eller nogen form for forberedelse. Noget, der er nemt at bruge og meget hurtigt, siger Chi. Sådanne sensorer kan bruges til at hjælpe patienter med rygmarvsskade med at kommunikere eller endda kombineres med spilsystemer.

Men mens EEG-sensorerne kan opfange bestemt hjerneaktivitet, skal sensorerne gøres mere følsomme, da neural aktivitet i hjernen er bemærkelsesværdig svag. Kontaktløse elektroder vil være en fordel, uanset hvor du sætter dem på kroppen, siger Rahul Sarpeshkar , en bioelektronikingeniør ved MIT. Men alle disse systemer skal, når de anvendes i medicin, håndtere bevægelse og styrken af ​​et signal, hvilket gør EEG'et mere teknisk udfordrende.

Hjerteapplikationer kan være tættere på hånden: Chi og Cauwenberghs har data, der viser, at deres sensorer kan opfange signaler, der er næsten lige så nøjagtige som dem, der indsamles ved hjælp af gelbaserede elektroder. Chi er ved at oprette en nystartet virksomhed, Cognionics, for at udvikle sensorerne yderligere og har allerede indledt samtaler med virksomheder inden for medicinsk udstyr.

skjule