Мягкий и удобный монитор может транслировать электрокардиограмму (ЭКГ), частоту сердечных сокращений, частоту дыхания и данные о двигательной активности на расстояние до 15 метров на портативное записывающее устройство, такое как смартфон или планшетный компьютер. Электроника установлена на растягивающейся подложке и соединена с золотыми кожевенными электродами через печатные разъемы, которые могут растягиваться вместе с медицинской пленкой, в которую они встроены.
«Этот монитор здоровья имеет ключевое преимущество для маленьких детей, которые постоянно находятся в движении, поскольку мягкое конформное устройство может приспособиться к этой активности с нежной интеграцией на кожу», – сказал Вун-Хонг Ё, доцент кафедры Джорджа В. Школа машиностроения Вудраффа и Уоллес Х. Колтер Департамент биомедицинской инженерии Технологического института Джорджии. «Это разработано для удовлетворения потребностей в электронном мониторинге здоровья людей, чувствительная кожа которых может быть повреждена обычными мониторами."
Подробности монитора были опубликованы 24 июля в журнале Advanced Science.
Исследование было поддержано Инновационным фондом Imlay при Детском здравоохранении Атланты, NextFlex (Институт производства гибкой гибридной электроники), а также посевным грантом Института электроники и нанотехнологий Технологического института Джорджии. Монитор был изучен как на животных моделях, так и на людях.
Поскольку устройство прилегает к коже, оно позволяет избежать проблем с сигналом, которые могут возникать при движении типичных металлогелевых электродов по коже. Устройство может даже получать точные сигналы от человека, который идет, бежит или поднимается по лестнице.
«Когда вы кладете на грудь обычный электрод, движение при сидении или ходьбе создает артефакты движения, которые сложно отделить от сигналов, которые вы хотите измерить», – сказал он. «Поскольку наше устройство мягкое и конформное, оно движется вместе с кожей и предоставляет информацию, которую невозможно увидеть с помощью артефактов движения обычных датчиков."
«Непрерывная оценка с помощью беспроводного монитора состояния здоровья может улучшить оценку состояния детей и помочь клиницистам выявлять тенденции на более раннем этапе, потенциально облегчая вмешательство до того, как состояние прогрессирует», – сказал д-р. Кевин Махер, детский кардиолог Детского здравоохранения Атланты.
«Получение непрерывных данных от респираторной и сердечно-сосудистой систем может позволить применить расширенную диагностику для обнаружения изменений в клиническом статусе, реакции на терапию и реализации раннего вмешательства», – сказал Махер. "Устройство, которое буквально отслеживает каждое дыхание ребенка, могло бы позволить раннее распознавание и вмешательство до более серьезного проявления болезни."
По его словам, при использовании дома носимый монитор может обнаруживать изменения, которые в противном случае не были бы очевидны. В клинических условиях беспроводное устройство может позволить детям чувствовать себя менее «привязанными» к оборудованию. «Я рассматриваю это устройство как существенное изменение в педиатрической медицине и очень рад сотрудничать с Технологическим институтом Джорджии в этом проекте», – добавил Махер.
В мониторе используются три золотых электрода, встроенных в пленку, которая также содержит оборудование для электронной обработки. Весь монитор здоровья имеет диаметр всего три дюйма, а разрабатываемая более продвинутая версия будет вдвое меньше. Беспроводной монитор теперь питается от небольшой перезаряжаемой батареи, но в будущих версиях батарея может быть заменена внешней системой радиочастотной зарядки.
Йео и его сотрудники, в том числе первый автор и научный сотрудник Юн-Сунг Ким, сосредотачиваются на педиатрических приложениях из-за необходимости амбулаторного наблюдения за детьми.
Тем не менее, они предполагают, что монитор здоровья может также использоваться для других групп пациентов, включая пожилых людей, у которых также может быть чувствительная кожа. Для взрослых будут дополнительные преимущества.
«Монитор можно носить несколько дней, возможно, до двух недель», – сказал Ё. "Мембрана водонепроницаема, поэтому взрослый может принять душ, надев ее. После использования электронные компоненты можно утилизировать."
Разработаны две версии монитора.
Один основан на медицинской ленте и предназначен для краткосрочного использования в больнице или другом учреждении по уходу, а другой использует мягкую эластомерную медицинскую пленку, одобренную для использования при уходе за ранами. Последние могут дольше оставаться на коже.
«Устройства полностью высохли и не требуют геля для приема сигналов от кожи», – пояснил Йео. «Между кожей и ультратонким сенсором нет ничего, поэтому носить его удобно."
Поскольку монитор можно носить в течение длительного времени, он может обеспечить долгосрочную запись данных ЭКГ, что поможет понять потенциальные проблемы с сердцем. «Мы используем глубокое обучение, чтобы отслеживать сигналы, сравнивая их с данными, полученными от большей группы пациентов», – сказал Йео. "При обнаружении отклонения от нормы о нем можно сообщить по беспроводной сети через смартфон или другое подключенное устройство."
При изготовлении схемы монитора используются тонкопленочные сетчатые узоры из меди, которые могут изгибаться вместе с мягкой подложкой.
Чипы являются единственной негибкой частью, но они устанавливаются на деформационно изолированной мягкой подложке вместо традиционной пластиковой печатной платы.
В качестве следующих шагов Йео планирует уменьшить размер устройства и добавить функции для измерения других параметров, связанных со здоровьем, таких как температура, содержание кислорода в крови и артериальное давление. Важной вехой станет клиническое испытание для оценки производительности по сравнению с обычными мониторами состояния здоровья.
Для Йео, который специализируется на нано- и микротехнике, перспектива увидеть устройство в клинических испытаниях – и, в конечном итоге, использоваться в детских больницах – является мощным стимулом.
«Для меня будет реальностью увидеть то, что мы разработали, чтобы помочь тем, кто страдает», – сказал он. "Мы все хотим, чтобы достижения в области науки и техники были преобразованы в улучшение ухода за пациентами."