ΤΑ ΧΡΩΜΑΤΑ ΤΟΥ ΘΥΜΙΖΟΥΝ το πίσω μέρος ενός CD που ιριδίζει ή ένα μικρό ουράνιο τόξο που έχει παγιδευτεί μέσα σε ένα κομμάτι σιλικόνης. Κι όμως, αυτό το patch από ένα σχεδόν ανεπαίσθητο υλικό μπορεί να κάνει κάτι που μέχρι σήμερα απαιτούσε πολύ πιο σύνθετο ιατρικό εξοπλισμό. Μπορεί να καταγράψει τον καρδιακό παλμό και να αντλήσει πληροφορίες για την κατάσταση των αιμοφόρων αγγείων.
Η καινοτομία έρχεται από το Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας (NTNU) και φέρει ελληνική υπογραφή.
Οι ερευνητές σχεδίασαν ένα νέο είδος wearable αισθητήρα που δεν χρειάζεται μπαταρία, ηλεκτρονικά κυκλώματα, καλώδια ή εξειδικευμένα οπτικά όργανα. Το μόνο που απαιτείται για τη λειτουργία του είναι ένα smartphone με συμβατική κάμερα.
Η ιδέα ακούγεται απλή, αλλά κρύβει μια διαφορετική προσέγγιση στην παρακολούθηση της ανθρώπινης υγείας.
«Αντί να χρησιμοποιεί ηλεκτρονικούς αισθητήρες για να ανιχνεύσει αλλαγές στη ροή του αίματος, το συγκεκριμένο patch μετατρέπει τις μηχανικές κινήσεις του δέρματος σε ορατές μεταβολές χρώματος. Με άλλα λόγια, η καρδιά αφήνει το αποτύπωμά της πάνω σε ένα μικροσκοπικό υλικό, το οποίο μπορεί να “διαβάσει” η κάμερα ενός απλού κινητού», εξηγεί στο WIRED Greece o Αναπληρωτής Καθηγητής Οπτικής Μηχανικής και Νανοφωτονικής στο NTNU, Άγγελος Ξόμαλης, ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Όπως περιγράφει, η πρώτη στο είδος της αυτή συσκευή που ονομάζεται Opto-Ρatch κατασκευάζεται εξ’ ολοκλήρου από ένα εύκαμπτο φθηνό υλικό σιλικόνης, γνωστό ως PDMS (πολυδιμεθυλοσιλοξάνη), και διαθέτει δύο διαφορετικά λειτουργικά επίπεδα.
«Στη μία πλευρά υπάρχει μια νανοδομημένη επιφάνεια (μετα-επιφάνεια), σχεδιασμένη έτσι ώστε να αλλάζει την οπτική της συμπεριφορά όταν το υλικό τεντώνεται. Στην άλλη βρίσκεται μια τρισδιάστατη συγκολλητική δομή, εμπνευσμένη από τις βεντούζες των πλοκαμιών ενός χταποδιού, η οποία δεν αποτελεί απλώς ένα σχεδιαστικό τέχνασμα. Επιτρέπει στο patch να κολλάει σταθερά στο δέρμα και να ακολουθεί ακόμη και τις πιο ανεπαίσθητες κινήσεις του, χωρίς να χάνει την επαφή με την επιφάνειά του», λέει ο Έλληνας επιστήμονας.
Όταν η καρδιά συστέλλεται, το αίμα κινείται μέσα στις αρτηρίες δημιουργώντας παλμικά κύματα πίεσης. Αυτά προκαλούν μικροσκοπικές κινήσεις στην επιφάνεια του δέρματος, τις οποίες ακολουθεί το εύκαμπτο patch, και ως εκ τούτου, παραμορφώνεται ελαφρά και τεντώνεται. Η μηχανική αυτή μεταβολή αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο η νανοδομημένη επιφάνειά του αλληλεπιδρά με το φως, δημιουργώντας μικρές αλλά μετρήσιμες αλλαγές στο χρώμα.
«Και εδώ βρίσκεται και το ενδιαφέρον της τεχνολογίας. Οι αλλαγές αυτές είναι ορατές ακόμη και με γυμνό μάτι, ενώ μπορούν να καταγραφούν από μια απλή κάμερα κινητού, χωρίς να χρειάζεται λέιζερ, φασματόμετρο, οπτικές ίνες ή κάποιο ειδικό σύστημα απεικόνισης. Το smartphone αναλαμβάνει να καταγράψει τις χρωματικές μεταβολές και να μετατρέψει το οπτικό σήμα σε πληροφορία για την καρδιακή λειτουργία», συμπληρώνει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Torjus Lines Steffensen.
Σύμφωνα με τη μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στο Advanced Materials, η επιμήκυνση του υλικού κατά μόλις 2% προκαλεί μεταβολή 9% στην ένταση των χρωματικών καναλιών RGB (τα τρία βασικά χρωματικά κανάλια που χρησιμοποιούν οι ψηφιακές κάμερες για να καταγράψουν μια εικόνα).
Στη μελέτη η απόκριση παρέμεινε σταθερή ακόμη και μετά από 1.000 κύκλους μηχανικής καταπόνησης. Παράλληλα, η τρισδιάστατη δομή πρόσφυσης αύξησε την αντοχή της επικόλλησης στο δέρμα κατά 65% σε σύγκριση με μια επίπεδη επιφάνεια σιλικόνης.
Με την πρώτη ματιά, το νέο patch θα μπορούσε να θεωρηθεί μια εναλλακτική εκδοχή των αισθητήρων που βρίσκονται στα έξυπνα ρολόγια. Στην πραγματικότητα, όμως, η τεχνολογία του λειτουργεί με εντελώς διαφορετικό τρόπο.
Τα περισσότερα smartwatches χρησιμοποιούν τo φωτοπληθυσμογραφικό (PPG) σήμα, όπου μικρές πράσινες λυχνίες LED φωτίζουν το δέρμα και φωτοαισθητήρες καταγράφουν τις μεταβολές στην ποσότητα του φωτός που επιστρέφει, καθώς αλλάζει ο όγκος του αίματος στα επιφανειακά αγγεία.
Πρόκειται για μια ευρέως διαδεδομένη τεχνική, η οποία όμως έχει έναν σημαντικό περιορισμό. Η ακρίβειά της μπορεί να επηρεάζεται από τη μελανίνη και τη χρωστική ουσία του δέρματος.
Αυτό σημαίνει ότι οι οπτικοί αισθητήρες δεν αποδίδουν απαραίτητα με την ίδια ακρίβεια σε όλους τους ανθρώπους. Πρόκειται για ένα ζήτημα που έχει ιδιαίτερη σημασία όταν η τεχνολογία χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση της υγείας σε πληθυσμούς με διαφορετικό χρώμα δέρματος.
Το patch από τη Νορβηγία επιχειρεί να παρακάμψει αυτό το εμπόδιο.
«Δεν μετρά πόσο φως απορροφά το δέρμα, ούτε βασίζεται στην αλληλεπίδραση του φωτός με το αίμα. Αντίθετα, καταγράφει τη μηχανική παραμόρφωση της ίδιας της επιφάνειας του δέρματος. Επομένως, ο μηχανισμός μέτρησης δεν εξαρτάται από την ποσότητα της μελανίνης», σημειώνει ο Eryk Tomasz Winogrocki που συμμετείχε στη μελέτη .
Η διαφορά δεν είναι μόνο ζήτημα συμπερίληψης.
Ανοίγει τον δρόμο για μια διαφορετική κατηγορία φορετών αισθητήρων (wearables), οι οποίοι μπορούν να συλλέγουν περισσότερα δεδομένα από το ανθρώπινο σώμα, χωρίς να βασίζονται στις ίδιες τεχνολογικές παραδοχές με τις σημερινές συσκευές και κρατώντας χαμηλά το κόστος ιατρικών διαγνωστικών εργαλείων.
Το patch μπορεί επίσης να παρέχει πληροφορίες για την ακαμψία των αιμοφόρων αγγείων, ένα χαρακτηριστικό που συνδέεται με την καρδιαγγειακή υγεία.
Καθώς μεγαλώνουμε, τα αιμοφόρα αγγεία τείνουν να χάνουν μέρος της ελαστικότητάς τους. Η αυξημένη ακαμψία των αγγείων αποτελεί σημαντικό παράγοντα κινδύνου για διάφορες καρδιαγγειακές παθήσεις. Ωστόσο, η μέτρησή της δεν είναι τόσο απλή όσο η καταγραφή των παλμών. Συνήθως απαιτεί εξειδικευμένο νοσοκομειακό εξοπλισμό, ηλεκτρόδια τοποθετημένα σε διαφορετικά σημεία του σώματος και συστήματα ηλεκτροκαρδιογραφήματος (ECG).
Το νέο patch φιλοδοξεί να κάνει αυτή τη διαδικασία πολύ πιο απλή καθώς μετράει τις μηχανικές παραμορφώσεις των αγγείων με μεγάλη ακρίβεια.
Στις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε 13 εθελοντές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συμβατικές μεθόδους για να καταγράψουν τις κυματομορφές του παλμού σε σύγκριση με το Opto-Patch. Τα αποτελέσματα παρουσίασαν πολύ υψηλή συμφωνία με τις αντίστοιχες κλινικές μετρήσεις, με συντελεστή συσχέτισης 0,94 ± 0,03. Στην ίδια μελέτη, η τεχνολογία εμφάνισε πολύ καλύτερη απόδοση συγκριτικά με καθιερωμένες μη επεμβατικές PPG μεθόδους και πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες παλμού.
Ίσως η τεχνολογία να βρίσκει τη σημαντικότερη εφαρμογή σε περιοχές όπου η πρόσβαση σε εξειδικευμένο ιατρικό εξοπλισμό και σε εκπαιδευμένο προσωπικό παραμένει περιορισμένη. Σε ένα σύγχρονο νοσοκομείο, η καταγραφή της καρδιακής λειτουργίας και η αξιολόγηση της κατάστασης των αγγείων αποτελούν σχετικά τυπικές διαδικασίες. Σε μια απομακρυσμένη περιοχή, όμως, η μεταφορά εξοπλισμού, η συντήρησή του και η διαθεσιμότητα εξειδικευμένου προσωπικού μπορεί να αποτελούν σοβαρά εμπόδια.
Ένα φθηνό και εύκαμπτο patch που δεν χρειάζεται εξωτερική τροφοδοσία ρεύματος θα μπορούσε να διευκολύνει τη συλλογή καρδιαγγειακών δεδομένων σε ιατρεία πρωτοβάθμιας φροντίδας, σε απομακρυσμένες κοινότητες ή σε περιοχές με περιορισμένη πρόσβαση σε νοσοκομεία.
Αυτό δεν σημαίνει, βέβαια, ότι το patch μπορεί ήδη να αντικαταστήσει ένα πλήρες καρδιολογικό εργαστήριο ή να χρησιμοποιηθεί ως αυτόνομο διαγνωστικό εργαλείο. Οι δοκιμές σε εθελοντές αποτελούν ένα ενθαρρυντικό πρώτο βήμα, αλλά απαιτούνται μεγαλύτερες κλινικές μελέτες και περαιτέρω αξιολόγηση πριν από οποιαδήποτε ευρεία ιατρική εφαρμογή.
Αναμφισβήτητα όμως, η συγκεκριμένη συσκευή υποδεικνύει μια ενδιαφέρουσα κατεύθυνση για την επόμενη γενιά wearable τεχνολογιών, με υλικά που δεν στηρίζονται σε ηλεκτρονικά.
Η τεχνολογία των μηχανοχρωμικών ελαστομερών, όπως ονομάζονται τέτοια υλικά, θα μπορούσε να βρει εφαρμογές όχι μόνο στην παρακολούθηση της καρδιάς, αλλά και σε άλλες φορετές ιατρικές συσκευές, σε συστήματα διάγνωσης στο σημείο φροντίδας και σε διεπαφές ανθρώπου-μηχανής.
*Το επίθεμα σχεδιάστηκε, κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε εξ ολοκλήρου στο Νορβηγικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας.
Με την εγγραφή σας, συμφωνείτε με τους Όρους Χρήσης μας (συμπεριλαμβανομένης της παραίτησης από ομαδικές αγωγές και των διατάξεων διαιτησίας) και αναγνωρίζετε την Πολιτική Απορρήτου μας.
