Нортвестернский университет представляет носимое устройство для измерения «дыхания кожи»

Electronics & Sensors INSIDER

Размером всего два сантиметра в длину и полтора сантиметра в ширину, устройство состоит из камеры, набора сенсоров, программируемого клапана, электронной схемы и небольшой перезаряжаемой батареи. Вместо прямого контакта с кожей камера нависает в нескольких миллиметрах над ней. (Изображение: 제공 존 Рогерс)

Исследователи Нортвестернского университета разработали первое носимое устройство для измерения газов, испускаемых и поглощаемых кожей. Анализируя эти газы, устройство предлагает новый способ оценки здоровья кожи, включая мониторинг ран, обнаружение кожных инфекций, отслеживание уровней гидратации, количественную оценку воздействия вредных экологических химикатов и многое другое.

Новая технология включает набор сенсоров, точно измеряющих изменения температуры, водяного пара, углекислого газа (CO2) и летучих органических соединений (VOC), каждое из которых дает ценный инсайт в различные кожные состояния и общее здоровье. Эти газы текут в небольшую камеру внутри устройства, нависающую над кожей без непосредственного контакта. Этот бесконтактный дизайн особенно полезен для сбора информации о хрупкой коже без нарушения нежных тканей.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, демонстрирует эффективность устройства на малых животных и людях.

«Это устройство — естественная эволюция наших носимых электронных устройств, собирающих и анализирующих пот», — сказал Джон А. Роджерс из Нортвестерна, соавтор исследования. «В том случае мы анализировали пот для изучения общего здоровья носителя. Хотя полезно, этот метод требует фармакологической стимуляции потовых желез или воздействия горячей, влажной среды. Мы начали думать о том, что мы могли бы захватить с кожи, что происходит естественным образом все время. Оказывается, с поверхности кожи исходит множество вещей — водяной пар, углекислый газ и летучие органические соединения — которые могут коррелировать с базовой физиологическим здоровьем».

«Эта технология имеет потенциал трансформировать клиническую помощь, особенно для уязвимых популяций, включая новорожденных, пожилых, пациентов с диабетом и других с компрометированной кожей», — сказал Гильермо А. Амир из Нортвестерна, соавтор исследования. «Красота нашего устройства в том, что мы нашли полностью новый способ оценки статуса нежной кожи без необходимости контакта с ранами, язвами или абразиями. Это устройство — первый крупный шаг к измерению изменений в газах и корреляции этих изменений со статусом кожи».

Пионер биоэлектроники, Роджерс — профессор Луиса Симпсона и Кимберли Кверри по материаловедению, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Нортвестерне — с назначениями в Маккормикской школе инженерии и медицинской школе Файнберг — и директор Института биоэлектроники Кверри-Симпсон. Амир — профессор Даниэла Хейла Уильямса по биомедицинской инженерии в Маккормике, профессор хирургии в Файнберге и директор Центра передовых регенеративных инженерий. Роджерс и Амир соавторство исследования с Ёнган Хуангом, профессором Джана и Марсии Аченбах по механической инженерии и профессором гражданской и экологической инженерии.

Кожный барьер и его значение

Называемый кожным барьером, внешний слой кожи — первая линия обороны тела от внешней среды. Он поддерживает гидратацию, предотвращая чрезмерную потерю воды, и действует как барьер против раздражителей, бактерий и ультрафиолетового излучения. Когда кожный барьер скомпрометирован, это может привести к увеличению потери воды (известной как траansepidермальная потеря воды или TEWL), чувствительности кожи, риску инфекции и воспалительным состояниям, таким как экзема и псориаз.

«Кожа критична для защиты нас от среды», — сказал соавтор исследования доктор Эми Паллер, профессор Уолтера Дж. Хэмлина по дерматологии и председатель департамента дерматологии в Файнберге. «Основной элемент этой защитной функции — кожный барьер, который в основном характеризуется грозным набором тесно переплетенных белков и жиров, удерживающих воду внутри и не пускающих раздражителей, токсинов, микробов и аллергенов вовне».

Отслеживая изменения в выделении водяного пара и газов из кожи, медицинские работники могут получить представление об целостности кожных барьеров своих пациентов. Хотя технологии для измерения потери водяного пара существуют, они — крупные, громоздкие машины, в основном находящиеся в больничных условиях. Компактное носимое устройство, с другой стороны, предназначено для помощи врачам в удаленном мониторинге пациентов и для расширения возможностей людей контролировать свое кожное здоровье дома.

«Золотой стандарт измерения целостности кожного барьера — большой прибор с зондом, который периодически касается кожи для сбора информации о траansepidермальной потере воды — или потоке воды через кожу», — сказала Паллер. «Наличие устройства, которое может измерять траansepidермальную потерю воды удаленно, непрерывно или по программе исследователя — и без беспокойства пациента во сне — это крупный прогресс».

Конструкция и принцип работы

Размером всего два сантиметра в длину и полтора сантиметра в ширину, устройство состоит из камеры, набора сенсоров, программируемого клапана, электронной схемы и небольшой перезаряжаемой батареи. Вместо прямого контакта с кожей камера нависает в нескольких миллиметрах над ней.

«Традиционные носимые сенсоры полагаются на физический контакт с кожей, ограничивая их использование в чувствительных ситуациях, таких как уход за ранами или для людей с хрупкой кожей», — сказал Роджерс. «Наше устройство преодолевает это ограничение, создавая маленькую закрытую камеру над поверхностью кожи».

Автоматический клапан открывает и закрывает вход в эту камеру — функция, которая динамически контролирует доступ между закрытой камерой и окружающим воздухом. Когда клапан открыт, газы текут в или из камеры, позволяя устройству установить базовое измерение. Затем, когда клапан быстро закрывается, он удерживает газы внутри камеры. Оттуда серия сенсоров измеряет изменения в концентрациях газов во времени.

«Если бы наше устройство не включало программируемый клапан и временно-динамический подход к измерению потока видов из кожи и в кожу в реальном времени, система могла бы быть сбита с толку изменениями концентраций этих видов, которые могут естественным образом варьироваться в окружающей среде», — сказал Роджерс. «Если клапан был бы открыт все время, сенсор детектировал бы такие изменения — не из-за чего-либо, связанного с кожей. С другой стороны, если клапан был бы всегда закрыт, то он бы нарушал естественные паттерны потока способом, который также не мог бы учитывать экологические факторы. Для работников в потенциально опасных средах полезно знать, сколько таких опасных видов входит в тело через кожу».

Используя Bluetooth, устройство отправляет эти данные прямо на смартфон или планшет для мониторинга в реальном времени. Эти быстрые результаты могут помочь медицинским работникам принимать более обоснованные — и быстрые — решения для управления ранами и назначения антибиотиков.

Поскольку увеличение водяного пара, CO2 и VOC ассоциировано с бактериальным ростом и задержкой заживления, мониторинг этих факторов может помочь опекунам обнаруживать инфекции раньше и с большей уверенностью.

«Назначение антибиотиков для ран может быть битвой азарта», — сказал Амир, эксперт по регенеративным инженерным подходам для улучшения заживления ран. «Иногда трудно сказать, инфицирована рана или нет. К тому моменту, когда это становится очевидно, может быть слишком поздно, и пациент может развить сепсис, что невероятно опасно. Чтобы избежать этого, врачи назначают широкий спектр антибиотиков. Это может привести к антибиотикорезистентности, растущей проблеме в здравоохранении. Возможность тщательно, непрерывно мониторить рану и назначить антибиотик при самом раннем признаке инфекции — очевидный и важный интерес».

Хотя непрерывный мониторинг важен для всех типов ран, он особенно критичен для диабетических пациентов. Амир ранее разработал различные стратегии, включая антиоксидантные гели и регенеративные бинты, для лечения диабетических язв. Всего два года назад Амир объединился с Роджерсом для создания первой транзиентной электронной бинты, использовавшей электрическую стимуляцию для ускорения заживления ран. Это новое носимое обеспечивает еще один инструмент для помощи этим уязвимым пациентам избегать рискованных побочных эффектов.

«Диабетические язвы — главная нетравматическая причина ампутаций нижних конечностей во всем мире», — сказал Амир. «Иногда может показаться, что рана заживает, но функция кожного барьера не совсем восстановлена. Наше устройство может точно измерить испускаемые газы, что дает полезную информацию о функции кожного барьера».

Эта инновационная новая технология не только предлагает беспрецедентные инсайты в заживление ран и кожное здоровье, она также может проложить путь к достижениям в мониторинге эффективности репеллентов от насекомых, кожных кремов и системных лекарств, предназначенных для улучшения кожного здоровья.

CO2 и VOC — именно те газы, которые привлекают комаров и других вредителей. Измерение этих выделений с кожи может помочь исследователям понять и потенциально смягчить привлечение комаров. Новое устройство также может позволить дерматологам и их пациентам измерить, как быстро лосьоны и кремы проникают в кожу, что может дать инсайты в проницаемость кожи и функцию барьера. Эти данные также могут помочь другим исследователям разработать более эффективные трансдермальные системы доставки лекарств, мониторить эффекты системно доставляемых лекарств для кожных заболеваний и оценивать безопасность косметических и средств личной гигиены.

Далее команда Нортвестерна планирует уточнить возможности устройства, включая добавление сенсора для отслеживания изменений уровня pH и разработку газовых сенсоров с повышенной химической селективностью для раннего обнаружения органной дисфункции и других заболеваний.

«Эта необычная носимая платформа предоставляет новый способ думать и понимать кожное здоровье», — сказал Роджерс. «Эта технология не просто о измерении газов и соответствующих характеристик кожи. Это о предсказании общего здоровья, предотвращении инфекций и заболеваний и создании будущего, где персонализированная помощь движима реальным временем, неинвазивным, непрерывным отслеживанием здоровья через новый набор параметров, дополняющих те, что можно захватить с обычными носимыми».

Источник