Ciało online, czyli pod opieką doktora sensora

Ciało online, czyli pod opieką doktora sensora
W krajach rozwiniętych Internet dociera praktycznie do wszystkich, którzy chcą go używać. Pojawiają się też nowe pola jego ekspansji. Tzw. Internet Rzeczy zaczyna wchodzić do ludzkiego życia w tysiącach dziedzin. Powoli wkrada się nawet do… naszych ciał.

Przykłady rozwiązań polegających na integracji inteligentnych urządzeń z ludzkim organizmem mnożą się w ostatnich latach i zaczynają oferować znacznie więcej niż rutynowy monitoring medyczny. Spójrzmy np. na opracowany na Uniwersytecie w Michigan implant wielkości pudełka od zapałek. Ma „wyłapywać” komórki rakowe w organizmie, zanim rozprzestrzenią się po ciele.

To nie żart. Rzecz opisuje poważne czasopismo branżowe „Cancer Research”. Podstawą działania pułapki jest „sieć” z materiału zwanego polikaprolaktonem. Urządzenie przyciąga komórki nowotworowe, aby schwytać je i zatrzymać na drodze do organów, które zamierzają one zaatakować. Testy na myszach pokazały, że implant „wyłapuje” nawet do 75% komórek rakowych. Może oczywiście także przekazywać informacje o poziomie zagrożenia nowotworem.

 

Nadaje, a potem się rozpuszcza

Nanosieci cieszą się w ogóle sporym zainteresowaniem. Świadczy o tym wynalazek specjalistów z Uniwersytetu Purdue – elektroniczny bandaż, w którym nanoprzewody o średnicy 50 nanometrów i długości 150 mikronów wplecione są w warstwę elastomeru o grubości 1,4 mikrona. Sieć wpleciona w elektroniczny bandaż może zostać wykorzystana do detekcji i przesyłania ważnych sygnałów dotyczących stanu ludzkich organów, takich jak mięśnie lub serce.

Struktura elektronicznego nanobandaża
Struktura elektronicznego nanobandaża

Badacze z Uniwersytetu stanu Illinois w Urbana-Champaign, pod kierownictwem prof. Johna A. Rogersa i we współpracy z ekspertami Szkoły Medycznej Washington University w St. Louis, opracowali technologię biodegradowalnych sensorów monitorujących ciśnienie i temperaturę wewnątrz czaszki – kluczowe parametry obserwowane po uszkodzeniach czy też operacjach mózgu. Po jakimś czasie urządzenia rozpuszczają się, eliminując tym samym potrzebę przeprowadzenia kolejnej operacji i związane z nią ryzyko np. infekcji czy krwotoku. Czujnik pozwala mierzyć drobne zmiany oporności elektrycznej związane ze zmianami ciśnienia i temperatury wewnątrz mózgu, po czym transmituje wyniki za pomocą fal radiowych do zewnętrznego odbiornika. Badacze twierdzą, że podobne sensory mogą być wykorzystane do pooperacyjnego nadzoru warunków wewnętrznych także w innych częściach ciała.

Cała koncepcja wykorzystuje technologię rozpuszczalnego krzemu, rozwijaną przez grupę działającą pod kierownictwem Rogersa na Uniwersytecie w Illinois. Sensory, mniejsze od ziarenka ryżu, zbudowane są z ekstremalnie cienkich, naturalnie biodegradowalnych płatków krzemu, wyskalowanych do prawidłowego działania przez kilka tygodni, a następnie do całkowitego rozpuszczenia się w płynach ustrojowych ciała, bez najmniejszej szkody dla pacjenta.

Z kolei badacze z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zaproponowali coś, co może okazać się prawdziwym przełomem w diagnostyce medycznej. Chodzi o czujnik rejestrujący ważne dane o funkcjonowaniu ludzkiego organizmu, który można bezpiecznie połknąć. Aparatura badawcza zamknięta jest w opływowej kapsule o rozmiarach migdała. W kapsułce znajdują się miniaturowe mikrofony rejestrujące dźwięki, np. odgłos bicia serca, co skutecznie zastępuje choćby stetoskop. Sygnały pochodzące z serca lub np. z płuc po zapisaniu mogą być przesłane za pośrednictwem fal radiowych do odbiornika na zewnątrz, oddalonego nawet o 3 m.

Oczywiście kapsuła przebywa w organizmie badanego dzień lub dwa, a potem… wiadomo. Jeśli ktoś potrzebuje długotrwałego monitoringu, musi połykać takie kapsułki regularnie, niczym pastylki.

 

Zdrowotna prognoza pogody

Specjaliści z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii opracowali cały system sensorów odbierających sygnały o pracy serca i układu krążenia, co ma pozwolić na wczesne ostrzeganie przed atakami serca. Zdaniem naukowców ich sensory można zamontować w urządzeniach już implantowanych u pacjentów, np. w minidefibrylatorach pobudzających serce elektrycznymi impulsami.

Sensor do monitoringu pracy serca z uniwersytetów Colorado Boulder i Northwestern

Sensor do monitoringu pracy serca z uniwersytetów Colorado Boulder i Northwestern

Nieco inne podejście, ale ten sam cel, mają ich koledzy z uniwersytetów Colorado Boulder i Northwestern. Stworzyli monitorujący pracę serca czujnik o wadze 200 miligramów, który może zostać nieinwazyjnie przymocowany do skóry, w silikonowej osłonie. Odbiera sygnały w zakresie 0,5-550 herców. Póki co wciąż musi być podłączony przewodem do komputera, ale docelowo ma łączyć się przez Bluetooth z urządzeniem przenośnym, np. ze smartfonem.

Dalej idą naukowcy z irlandzkiego Trinity College, którzy do superczułego monitoringu takich parametrów, jak np. ciśnienie tętnicze, chcą wykorzystać nie-newtonowską substancję, mieszankę kwasu bornego i silikonu o konsystencji kitu, pokrytą warstwą grafenu. Mieszanka, którą można wyściełać np. gardło pacjenta, znakomicie wykrywa zmiany ciśnienia, zaś dzięki grafenowi świetnie przewodzi prąd elektryczny, co pozwala przekazywać sygnały o najdrobniejszych nawet przekształceniach w naczyniach krwionośnych.

Taka „epidermalna” elektronika, a także ta wszczepiana do ciała, to już skądinąd bardzo poważny biznes. Rynek czujników medycznych rośnie w tempie 17% rocznie. Od dłuższego czasu istnieją firmy wyspecjalizowane tylko w takim sprzęcie, np. amerykańska Empatica. Jej założycielka, Rosalind W. Picard, związana również ze słynnym Massachusetts Institute of Technology, porównuje w internetowym serwisie MIT działanie zespołów czujników i implantów przekazujących informacje o różnych parametrach funkcjonowania ludzkiego organizmu do stacji pogodowych, a analizę tych wszystkich danych i diagnostykę – do prognoz meteorologicznych.

 

Bioczujniki i obawy o bezpieczeństwo

Najprostszy rodzaj bioczujnika to przetwornik, w którym w najmniej skomplikowanym przypadku wystarczy styczność dwóch różnych materiałów. Rzeczywisty element czujnika może być wyprodukowany jako mikroskopijny komponent ołowiowy, jako część sondy lub elektrody. Może to być drucik grubości włosa i może on generować napięcie. Przykładem takiego sensora wytwarzającego napięcie w wyniku różnicy temperatur, zbudowanego z różnych metali, jest termopara. Niektóre czujniki tego typu można umieścić bezpośrednio na skórze człowieka.

Inna kategoria to czujniki piezoelektryczne, w których niewielki wbudowany komponent wytwarza napięcie pod wpływem uderzenia lub wibracji. Małe, nieinwazyjne sensory mogą wskazywać na zbytni wysiłek fizyczny sportowca, zanim jeszcze dojdzie do jakiegokolwiek urazu. Ich miniaturyzacja oznacza, że da się je zintegrować z materiałem, bandażem czy po prostu ubraniem. Przykładem niech będzie czujnik w postaci arkusza firmy TE Connectivity, który można dowolnie zginać i przycinać, w zależności od potrzeb. I znowu, wracając do stóp, taki czujnik umieszczony w bucie pomoże zdiagnozować problemy z kręgosłupem lub stawami.

Właśnie dzięki integracji sensorów z systemem elektronicznym, siecią, łącznością za pomocą Bluetooth lub Wi-Fi otrzymujemy niewielkie urządzenia, które można także zintegrować z ubraniami czy innymi noszonymi urządzeniami - smartfonami lub zegarkami inteligentnymi. Pomiar parametrów świadczących o naszej kondycji fizycznej nie tylko nie wymaga już więc medycznej ingerencji, ale niepotrzebny staje się nawet specjalistyczny sprzęt medyczny.

Bioelektronika z jednej strony stwarza perspektywy powstania medycyny o niewiarygodnym poziomie precyzji i personalizacji, a z drugiej - wywołuje spore obawy o bezpieczeństwo naszych danych, szczególnie wrażliwych, bo dotyczących zdrowia czy wręcz życia. Zanim wkroczy na dobre do naszych trzewi, dobrze byłoby mieć pewność, że nikt niepowołany nie będzie mógł nad nią przejąć kontroli.