Умный кожный патч UC San Diego обеспечивает мониторинг АД, ЧСС и биохимии в реальном времени

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали мягкий эластичный кожный патч, который можно носить на шее для непрерывного отслеживания артериального давления и частоты сердечных сокращений, а также измерения уровня глюкозы, лактата, алкоголя или кофеина. Это первое носимое устройство, одновременно мониторящее сердечно-сосудистые сигналы и множество биохимических уровней в теле человека.

Такой прибор может быть полезен людям, управляющим высоким артериальным давлением и диабетом — лицам, которые также находятся в высокой группе риска тяжелого течения COVID-19. Он также может использоваться для обнаружения начала сепсиса, характеризующегося внезапным падением артериального давления, сопровождающимся быстрым ростом уровня лактата.

Один мягкий кожный патч, способный сделать всё это, также предложит удобную альтернативу для пациентов в отделениях интенсивной терапии, включая новорожденных в NICU, которым нужен непрерывный мониторинг артериального давления и других жизненно важных показателей. Эти процедуры сейчас предполагают введение катетеров глубоко в артерии пациентов и привязку пациентов к множеству больничных мониторов.

«Новизна здесь в том, что мы берем полностью разные датчики и объединяем их вместе на одной платформе размером с марку», — сказал Джозеф Ванг, профессор наноинженерии в UC San Diego. «Мы можем собрать так много информации с этого одного носимого устройства и делать это неинвазивно, без дискомфорта или прерывания повседневной активности».

Патч представляет собой тонкий лист эластичных полимеров, прилегающих к коже. Он оснащен датчиком артериального давления и двумя химическими датчиками — один измеряет уровень лактата (маркера физической нагрузки), кофеина и алкоголя в поте, а другой — уровень глюкозы в интерстициальной жидкости.

Патч способен измерять три параметра одновременно, по одному с каждого датчика: артериальное давление, глюкозу и либо лактат, либо алкоголь, либо кофеин.

Датчик давления находится близко к центру патча. Он состоит из набора малых ультразвуковых преобразователей, приваренных к патчу проводящей краской. Напряжение, приложенное к преобразователям, заставляет их посылать ультразвуковые волны в тело. Когда ультразвуковые волны отражаются от артерии, датчик улавливает эхо и преобразует сигналы в показания артериального давления.

Химические датчики — два экрана, напечатанных на патче проводящей краской. Электрод, чувствительный к лактату, кофеину и алкоголю, напечатан справа на патче; он работает за счет введения в кожу препарата пилокарпина для вызова потоотделения и обнаружения химических веществ в поте. Другой электрод, измеряющий глюкозу, напечатан слева; он работает путем прохождения слабого электрического тока через кожу для выделения интерстициальной жидкости и измерения глюкозы в ней.

Исследователи интересовались измерением именно этих биомаркеров, потому что они влияют на артериальное давление. «Мы выбрали параметры, которые дадут нам более точное, более надежное измерение артериального давления», — сказала Джулиан Семпионатто, аспирант наноинженерии в лаборатории Ванга.

«Допустим, вы мониторите свое артериальное давление и видите скачки в течение дня, думая, что что-то не так. Показание биомаркера могло бы сказать, были ли эти скачки вызваны приемом алкоголя или кофеина. Эта комбинация датчиков может дать вам такую информацию», — сказала она.

В тестах испытуемые носили патч на шее, выполняя различные комбинации задач: езду на велотренажере; прием пищи с высоким содержанием сахара; употребление алкогольного напитка; и употребление кофеинсодержащего напитка. Показания патча тесно совпадали с данными коммерческих мониторинговых устройств: манжеты для измерения давления, лактатометра, глюкометра и алкотестера. Показания уровня кофеина носителей были верифицированы в лаборатории путем измерения образцов пота, засеянных кофеином.

Одной из главных проблем при создании патча было устранение интерференции между сигналами датчиков. Для этого исследователям пришлось определить оптимальное расстояние между датчиком давления и химическими датчиками. Они обнаружили, что один сантиметр расстояния решил проблему, сохраняя устройство максимально компактным.

Исследователям также пришлось выяснить, как физически экранировать химические датчики от датчика давления. Последний обычно оснащен жидким ультразвуковым гелем для получения четких показаний. Но химические датчики также оснащены своими гидрогелями, и проблема в том, что если любой жидкий гель из датчика давления вытечет и контактирует с другими гелями, это вызовет интерференцию между датчиками. Поэтому исследователи использовали твердый ультразвуковой гель, который, как они обнаружили, работает так же хорошо, как жидкая версия, но без утечки.

Команда уже работает над новой версией патча, с еще большим количеством датчиков. «Есть возможности мониторинга других биомаркеров, связанных с различными заболеваниями. Мы ищем способы добавить больше клинической ценности этому устройству», — сказала Семпионатто.

Текущая работа также включает уменьшение электроники датчика давления. Сейчас датчик должен быть подключен к источнику питания и настольному прибору для отображения показаний. Конечная цель — разместить все это на патче и сделать всё беспроводным.