Северо-Западный университет представляет носимое устройство для измерения дыхания кожи

Электроника и датчики INSIDER

Устройство размером всего два сантиметра в длину и полтора сантиметра в ширину состоит из камеры, набора датчиков, программируемого клапана, электронной схемы и небольшой перезаряжаемой батареи. Вместо того, чтобы напрямую касаться кожи, камера парит над ней на несколько миллиметров. (Изображение:любезно предоставлено Джоном Роджерсом)

Исследователи Северо-Западного университета разработали первое носимое устройство для измерения газов, выделяемых кожей и поглощаемых ею. Анализируя эти газы, устройство предлагает новый способ оценки здоровья кожи, включая мониторинг ран, выявление кожных инфекций, отслеживание уровня гидратации, количественную оценку воздействия вредных химических веществ из окружающей среды и многое другое.

Новая технология включает в себя набор датчиков, которые точно измеряют изменения температуры, водяного пара, углекислого газа (CO2) и летучих органических соединений (ЛОС), каждый из которых дает ценную информацию о различных состояниях кожи и общем состоянии здоровья. Эти газы попадают в небольшую камеру внутри устройства, которая парит над кожей, фактически не касаясь ее. Эта бесконтактная конструкция особенно полезна для сбора информации о хрупкой коже, не повреждая нежные ткани.

Исследование опубликовано в журнале Nature. , демонстрирует эффективность устройства на мелких животных и людях.

«Это устройство является естественным развитием портативных электронных устройств нашей лаборатории, которые собирают и анализируют пот», — сказал Джон А. Роджерс из Northwestern, который был одним из руководителей исследования. "В данном случае мы анализировали пот, чтобы узнать об общем состоянии здоровья пользователя. Несмотря на свою полезность, этот метод требует фармакологической стимуляции потовых желез или воздействия горячей и влажной среды. Мы начали думать о том, что мы можем уловить из кожи, что происходит в природе постоянно. Оказывается, с поверхности кожи исходят самые разные вещи — водяной пар, углекислый газ и летучие органические соединения, — которые можно коррелировать с основным физиологическим здоровьем".

«Эта технология может изменить клиническую помощь, особенно для уязвимых групп населения, включая новорожденных, пожилых людей, пациентов с диабетом и других людей с поврежденной кожей», — сказал Гильермо А. Амир из Northwestern, который был одним из руководителей исследования. "Прелесть нашего устройства в том, что мы нашли совершенно новый способ оценки состояния нежной кожи без необходимости контакта с ранами, язвами или ссадинами. Это устройство является первым важным шагом на пути к измерению изменений в газах и корреляции этих изменений с состоянием кожи".

Пионер биоэлектроники, Роджерс является профессором материаловедения и инженерии Луи Симпсона и Кимберли Куэрри, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Северо-Западном университете (с назначениями в Инженерной школе Маккормика и Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета) и директором Института биоэлектроники Куэрри Симпсона. Амир — профессор биомедицинской инженерии Дэниела Хейла Уильямса в Маккормике, профессор хирургии в Файнберге и директор Центра передовой регенеративной инженерии. Роджерс и Амир возглавляли исследование вместе с Юнганом Хуангом, профессором машиностроения Яна и Марсии Ахенбах и профессором гражданского и экологического строительства.

Внешний слой кожи, называемый кожным барьером, является первой линией защиты организма от внешней среды. Он поддерживает гидратацию, предотвращая чрезмерную потерю воды и действует как барьер против раздражителей, бактерий и ультрафиолетового излучения. Когда кожный барьер нарушен, это может привести к повышенной потере воды (известной как трансэпидермальная потеря воды или TEWL), чувствительности кожи и риску инфекций, а также воспалительных состояний, таких как экзема и псориаз.

«Кожа имеет решающее значение для защиты нас от окружающей среды», — сказала соавтор исследования доктор Эми Паллер, профессор дерматологии Уолтера Дж. Хэмлина и заведующая отделением дерматологии в Файнберге. «Основным элементом этой защитной функции является кожный барьер, который в значительной степени характеризуется огромным набором плотно переплетенных белков и жиров, которые удерживают воду и не пропускают раздражители, токсины, микробы и аллергены».

Отслеживая изменения в выделении водяного пара и газов кожей, специалисты здравоохранения могут получить представление о целостности кожных барьеров своих пациентов. Хотя технологии измерения потерь водяного пара существуют, они представляют собой большие и громоздкие машины, которые в основном устанавливаются в больницах. С другой стороны, компактное носимое устройство предназначено для того, чтобы помочь врачам удаленно контролировать своих пациентов и дать людям возможность контролировать здоровье своей кожи дома.

«Золотым стандартом измерения целостности кожного барьера является большой инструмент с датчиком, который периодически прикасается к коже для сбора информации о трансэпидермальной потере воды или потоке воды через кожу», — сказал Паллер. «Наличие устройства, которое может измерять трансэпидермальную потерю воды дистанционно, непрерывно или по программе исследователя, не беспокоя пациента во время сна, является большим достижением».

Устройство размером всего два сантиметра в длину и полтора сантиметра в ширину состоит из камеры, набора датчиков, программируемого клапана, электронной схемы и небольшой перезаряжаемой батареи. Вместо того, чтобы напрямую касаться кожи, камера парит над ней на несколько миллиметров.

«Традиционные носимые датчики основаны на физическом контакте с кожей, что ограничивает их использование в деликатных ситуациях, таких как уход за ранами или для людей с хрупкой кожей», — сказал Роджерс. «Наше устройство преодолевает это ограничение, создавая небольшую 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 входят в камеру или выходят из нее, позволяя устройству установить базовое измерение. Затем, когда клапан быстро закрывается, газы задерживаются внутри камеры. Далее ряд датчиков измеряет изменения концентрации газа с течением времени.

«Если бы наше устройство не включало в себя программируемый клапан и временной метод измерения для количественной оценки потока веществ из кожи и в нее в режиме реального времени, тогда система могла бы быть сбита с толку изменениями в концентрациях этих видов, которые могли бы естественным образом варьироваться в окружающей среде», — сказал Роджерс. "Если бы клапан был все время открыт, датчик обнаружил бы такого рода изменения - не из-за чего-либо, связанного с кожей. С другой стороны, если бы клапан был всегда закрыт, это нарушало бы естественные закономерности потока таким образом, что также не могло бы учитываться факторы окружающей среды. Для работников, работающих в потенциально опасных средах, полезно знать, сколько из этих опасных веществ попадает в организм через кожу".

Используя Bluetooth, устройство отправляет эти данные прямо на смартфон или планшет для мониторинга в режиме реального времени. Эти быстрые результаты могут помочь медицинским работникам принимать более обоснованные и более быстрые решения по лечению ран и назначению антибиотиков.

Поскольку повышенное содержание водяного пара, CO2 и ЛОС связано с ростом бактерий и задержкой заживления, мониторинг этих факторов может помочь лицам, осуществляющим уход, раньше и с большей уверенностью обнаруживать инфекции.

«Назначение антибиотиков для лечения ран может быть своего рода авантюрой», — говорит Амир, эксперт по регенеративным инженерным подходам к улучшению заживления ран. "Иногда трудно определить, инфицирована рана или нет. Когда это становится очевидным, может быть уже слишком поздно, и у пациента может развиться сепсис, что невероятно опасно. Чтобы избежать этого, врачи назначают широкий спектр антибиотиков. Это может привести к устойчивости к антибиотикам, что является растущей проблемой в здравоохранении. Возможность внимательно, постоянно контролировать рану и назначать антибиотик при самых ранних признаках инфекции является очевидным и важным интересом".

Хотя постоянный мониторинг важен для всех типов ран, он особенно важен для пациентов с диабетом. Ранее Амир разработал различные стратегии, в том числе антиоксидантные гели и регенеративные повязки, для лечения диабетических язв. Всего два года назад Амир объединился с Роджерсом, чтобы создать первую временную электронную повязку, в которой использовалась электрическая стимуляция для ускорения заживления ран. Это новое носимое устройство представляет собой еще один инструмент, который поможет этим уязвимым пациентам избежать рискованных побочных эффектов.

«Диабетические язвы являются основной нетравматической причиной ампутаций нижних конечностей во всем мире», — сказал Амир. "Иногда может показаться, что рана закрывается, но барьерная функция кожи не полностью восстанавливается. Наш прибор может точно измерять выделяемые газы, что дает полезную информацию о барьерной функции кожи".

Эта инновационная технология не только предлагает беспрецедентную информацию о заживлении ран и здоровье кожи, но также может проложить путь к прогрессу в мониторинге эффективности репеллентов, кремов для кожи и системных препаратов, предназначенных для улучшения здоровья кожи.

CO2 и ЛОС — это те самые газы, которые привлекают комаров и других вредителей. Таким образом, измерение этих выбросов через кожу может помочь исследователям понять и потенциально снизить привлекательность комаров. Новое устройство также может позволить дерматологам и их пациентам измерять, насколько быстро лосьоны и кремы проникают в кожу, что может дать представление о проницаемости кожи и ее барьерной функции. Эти данные также могут помочь другим исследователям разработать более эффективные системы трансдермальной доставки лекарств, отслеживать эффекты системно вводимых лекарств при кожных заболеваниях и оценивать безопасность косметики и средств личной гигиены.

Далее команда Northwestern планирует усовершенствовать возможности устройства, включая добавление датчика для отслеживания изменений уровня pH и разработку газовых датчиков с повышенной химической селективностью для раннего выявления дисфункции органов и других заболеваний.

«Эта необычная носимая платформа дает новый способ задуматься и понять здоровье кожи», — сказал Роджерс. "Эта технология предназначена не только для измерения газов и соответствующих характеристик кожи. Она предназначена для прогнозирования общего состояния здоровья, предотвращения инфекций и заболеваний и создания будущего, в котором персонализированный уход будет основан на неинвазивном, непрерывном отслеживании состояния здоровья в режиме реального времени с помощью нового набора параметров, которые дополняют те, которые можно фиксировать с помощью обычных носимых устройств".

Источник