V dnešní době je kolem nositelné elektroniky spousta bzučení - například Google se rozšiřuje do oboru brýlí, zatímco jiné společnosti se snaží o svůj podíl na trhu pomocí špičkových klipů a hodinek, které sledují, co jíte a jak se pohybujete .
Související obsah
- Irský kardiolog, jehož vynález zachránil LBJ
- Elektronika, která se může ve vašem těle roztavit, může změnit svět medicíny
Ale nikdo z nich není vzdáleně jako to, co se vyvíjí John Rogers, držitel ceny Smithsonian American Ingenuity 2013 ve fyzických vědách za rok 2013. Jeho zařízení, jak vidíte, je zkonstruováno nejen tak, aby se vešlo jako rukavice, ale možná také jednou zachrání život nositele.
Vědec materiálů, spolu se svým týmem studentů z University of Illinois v Urbana-Champaign, úspěšně testovali to, co je nejlépe popsáno jako ponožka pro srdce. Zařízení umístěné po celé ploše srdce se skládá z řady senzorů, které s podivnou přesností sledují vnitřní fungování tohoto nejdůležitějšího orgánu. Pokud zjistí znepokojující abnormalitu, může předat data lékařským odborníkům; v případě nouze, například při srdečním infarktu, by dokonce mohl zasáhnout podáním elektrodem indukovaného pulsu.
Srdeční pumpy obvykle fungují tak efektivně, že si to téměř nevšimneme. Ale pro ty, kteří mají podmínky srdečního rytmu, mohou být nesynchronizované srdeční kontrakce oslabující - způsobující točení hlavy, slabost, zvracení a bolest na hrudi, pro ty s arytmií - nebo v některých případech smrtící. Rytmické nepravidelnosti mohou v průběhu času způsobit krevní sraženiny (které někdy vedou k mrtvici) a v extrémních případech k zástavě srdce.
Lékaři mohou obvykle předepsat léky, aby tyto problémy vyřešili. V některých případech se však pacienti musí obrátit na chirurgické zákroky, jako jsou kardiostimulátory nebo defibrilátorové implantáty. A i když tato zařízení fungují dostatečně dostatečně, mechanismus, který používají k regulaci srdečního rytmu, je ve skutečnosti docela hrubý. U defibrilátorových implantátů je uvnitř elektrody umístěna dvojice elektrod. Kdykoli je detekována život ohrožující arytmie, defibrilátor pošle elektrický šok, který omráčí srdce zpět do normálního rytmu. Rogers tvrdí, že problém s tímto přístupem je v tom, že činnost z jiné oblasti srdce může omylem vyvolat bolestivé otřesy, pokud to opravdu není potřeba.
Rogersovo zařízení uzavírá srdce do mnohem sofistikovanějšího smyslového systému, který dokáže přesně určit, kde se vyskytuje rytmická nepravidelnost. V jistém smyslu to funguje jako nervová zakončení na sekundární kůži.
„Chtěli jsme využít plný výkon technologie obvodů, “ říká Rogers o zařízení, které se vyrábí dva a půl roku. „S mnoha elektrodami může zařízení stimulovat a stimulovat cílenějším způsobem . Dodávání tepla nebo pulzů na konkrétní místa a jejich provádění v dostatečně měřitelných dávkách, které jsou dostatečně dostatečné, je důležité, protože aplikace více, než je nutné, je nejen bolestivá, ale může také poškodit srdce. "
Tento podrobný diagram ukazuje, jak bylo srdce vytvořeno. (University of Illinois a Washington University) Elasticita srdeční ponožky kromě jejího potenciálu jako nouzového srdečního implantátu umožňuje řadu dalších elektronických a neelektronických senzorů, které mohou monitorovat hladiny vápníku, draslíku a sodíku - považované za klíčové ukazatele zdraví srdce. Membrána může být také naprogramována tak, aby sledovala změny mechanického tlaku, teploty a hladiny pH (kyselost), což vše může pomoci signalizovat hrozící srdeční infarkt.
Při výrobě prototypového pláště vědci nejprve naskenovali a 3D vytiskli plastový model králičího srdce. Poté uspořádali přes formu 68 síť drobných elektronických senzorů a potahovali ji vrstvou silikonového kaučukového materiálu schváleného FDA. Po gumové sadě Rogersovi laboratorní asistenti odloupli polymer připravený na míru.
K testování membrány ji vědci omotali kolem skutečného králičího srdce, připojeného k mechanické pumpě. Tým navrhl zařízení tak, aby bylo o trošku menší než skutečný orgán, aby mu dodalo jemné, rukavice podobné.
„Je to ošidné, “ říká Rogers, „že membrána musí být dimenzována tak, aby mohla vytvořit dostatečný tlak, aby udržovala elektrody v dostatečném kontaktu s povrchem. Přílišné stisknutí způsobí, že srdce zareaguje negativním způsobem. “
„Musí to být v pořádku, “ dodává.
Jak Michael McAlpine, mechanický inženýr na Princetonské univerzitě, který se nezúčastnil výzkumu, pro The Scientist řekl : „ Co je nového a působivé, je to, že integrovali řadu různých funkcí do membrány, která pokrývá celý povrch srdce. "Toto rozšíření senzorů poskytuje vysokou úroveň prostorového rozlišení pro srdeční monitorování a nabízí větší kontrolu, pokud jde o stimulaci."
Co tedy bude trvat, než tento průlom půjde z laboratoře k pacientovi? Rogers odhaduje alespoň další desetiletí vývoje, než bude něco připraveno pro lékařský trh. Mezitím plánuje pokračovat ve spolupráci s biomedicínským inženýrem Washingtonské univerzity Igorem Efimovem, aby zdokonalil důkaz konceptu na praktickou, bezpečnou a spolehlivou technologii.
Jednou z hlavních překážek je vymýšlení způsobu napájení membrány bez konvenčních baterií. V současné době Rogers a jeho tým zkoumají několik alternativ, například ultrazvukové nabíjení, metodu, při které je energie přenášena bezdrátově přes kůži, a také využívají piezoelektrické materiály, které zachycují energii z okolního prostředí. Pro druhé jmenování existuje precedens pro úspěch. Před dvěma lety inženýři z University of Michigan využili takové materiály k vývoji kardiostimulátoru poháněného výhradně srdečním rytmem uživatele.
"Protože se snažíme zabudovat mnohem více senzorů a dodávat elektrické impulsy a teplo, bude to vyžadovat více energie, než je množství generované pro konvenční kardiostimulátory, " říká Rogers. "V budoucnu doufáme, že můžeme zlepšit účinnost."
Dalším klíčovým prvkem je navádění na způsob odesílání dat do externího gadgetu, aby k nim měli přístup pacienti a specialisté. V současné době senzory zaznamenávají mezi jinými vzory, jako jsou změny teploty a PH, ale vědci musí teprve přijít na způsob, jak tato data doručit bezdrátově.
„Bluetooth komunikace je nízká, takže se na to díváme, “ říká Efimov. „Zařízení bude v zásadě vyžadovat více součástí a budeme potřebovat odborníky v jiných oblastech, jako je elektronika, telemetrii a software. Nakonec budeme muset zvýšit rizikový kapitál a založit společnost. “
Právě teď je zaměřeno na to, aby rukáv fungoval jako praktické zařízení; nedá se říci, kolik to bude stát na výrobu, nebo kolik to bude stát spotřebitele, když přijde na trh.
Velkou otázkou však je, zda srdeční ponožka bude fungovat bezpečně a efektivně in vivo, nebo ve skutečných živých testovacích subjektech. Kardiostimulátory mohou obvykle trvat 10 let. Aby byl praktický, Rogersův vynález by také musel prokázat, že může zůstat funkční alespoň tak dlouho. Tým se chystá učinit tento další krok s pilotem, který bude testovat membránu uvnitř žijícího králíka, test, který doufají, že bude dokončen s financováním od National Institutes of Health, spolu s dalšími granty, které se snaží zajistit. Pokud všechno půjde dobře, další test, zda je gadget šňupací tabák, bude na lidech.
