Search
Close this search box.

Zastosowanie PEM w technice elektroniki noszonej

Termin „elektronika noszona” (ang. wearables) został wprowadzony do terminologii technicznej wraz z rozwojem informatyki użytkowej, mikro i nano komputerów, technologii sensorowej czy tekstroniki (ang. smart materials). Istotną rolę w technologii elektroniki noszonej odgrywa łączność bezprzewodowa, czyli pole elektromagnetyczne. Bez łączności opartej na polu elektromagnetycznym nie byłoby możliwe użytkowanie omawianej technologii. Elektronika noszona wykorzystywana jest w wielu dziedzinach aktywności ludzkiej, a jednym z ważniejszych obszarów jest medycyna. 

Zainteresowanie medyczne technologią elektroniki noszonej (wearables) wynikają z kilku przyczyn, z których trzy wydają się być najważniejsze:

  1. Wzrost liczby osób starszych, których stan zdrowia wymaga ciągłego nadzoru, a w ich przypadku najskuteczniejszym nadzorem jest ciągłe monitorowanie.
  2. Wzrost liczby chorób cywilizacyjnych, takich jak zaburzenia w gospodarce glukozowo-insulinowej (cukrzyca II stopnia), choroby układu krążeniowego (nadciśnienie tętnicze) czy otyłość (morbid obesity). Takie stany chorobowe czy dysfunkcyjne wymagają ciągłej obserwacji.
  3. Polityka zdrowotna na całym świecie reaguje na ww. zjawiska za pomocą inicjatyw prewencyjnych. Wysiłki tego typu zwiększyły wśród klientów świadomość korzyści płynących z monitorowania stanu zdrowia, a rosnące koszty opieki zdrowotnej (zarówno dla rządów, jak i osób prywatnych), dodatkowo zwiększyły zapotrzebowanie na te technologie.

Poiżej zostaną przytoczone niektóre zastosowania elektroniki noszonej w obszarze medycyny.

Zastosowania

Monitorowanie rytmu oddechowego dziecka

Jest to klasyczne zastosowanie elektroniki noszonej, istniejące już szeroko w aspekcie komercyjnym.  Problem z zaburzeniami oddychania (brak oddychania, oddychanie nieokresowe i niestabilne) jest dobrze znany rodzicom. System e-tekstylny, który pozwala opiekunom zostawić dziecko bez towarzystwa, ale bezpiecznie, jest rozwiązaniem tego problemu.

Wykorzystując inteligentną tkaninę opartą na czujnikach oraz nowoczesne metody przetwarzania i transmisji danych, system pozwala na zdalny monitoring stanu zdrowia niemowląt, parametrów takich jak częstość oddechów i temperatura ciała, zarówno w warunkach szpitalnych, jak i domowych. Ubranie specjalne pokazano na Rys.1.

Rys.1 Koszulka dziecka wyposażona w elektronikę noszoną: A1 – koszulka, A2 – elektroniczny system kontrolny, A3 – sensory rytmu oddechowego, A4 – czujnik temperatur A5 – zasilanie elektryczne

Monitorowanie podbandażowe stanu infekcji rany

Kiedy bakterie przedostają się do ran, dosłownie zagrażają życiu i zdrowiu — chyba, że zostaną wykryte tak szybko, jak to możliwe. Czujnik może być umieszczony w bandażach i przekazywać informacje bezprzewodowo do smartfona, gdy populacja bakterii usadowi się w niebezpiecznym (zranionym) terytorium.

Zdrowa ludzka skóra jest pokryta bakteriami, które szybko kolonizują otwartą ranę – należą do nich m.in. Staphylococcus aureus (S.aureus) i Escherichia coli (E.coli). Aby zapobiec rozprzestrzenianiu się w organizmie tych patogenów, które mogą trwale zranić lub zabić człowieka, zakażona rana może wymagać oczyszczenia i leczenia antybiotykami a nawet – w najbardziej ekstremalnych sytuacjach – amputacji chorej kończyny. Lekarze zazwyczaj identyfikują infekcje, zdejmując bandaże i obserwując ranę lub robiąc wymaz i przeprowadzając test laboratoryjny. Jednak usunięcie opatrunku z rany może spowolnić proces gojenia. Ponadto obserwacje są subiektywne, testy wymazowe wymagają czasu, a obie metody wymagają fizycznej obecności pacjenta.

Aby rozwiązać te problemy, niektóre zespoły badawcze opracowują urządzenia, które są umieszczane pod bandażami i stale monitorują pośrednie oznaki infekcji, takie jak zmiany temperatury rany lub kwasowości. Naukowcy z National University of Singapore stworzyli teraz jeszcze bardziej bezpośredni czujnik infekcji. Ten detektor może wykryć enzym zwany dezoksyrybonukleazą lub DNazą. Enzym działa jako niezawodny wskaźnik infekcji, ponieważ bakterie chorobotwórcze wytwarzają go w ranach w dużych ilościach, podczas gdy bakterie na zdrowej skórze tego nie robią. A więc badanie na obecność substancji zmniejsza ryzyko fałszywie pozytywnego wyniku.

Ponadto DNaza gromadzi się przed pojawieniem się innych objawów infekcji. Nowy system ostrzegania (nazwany „bezprzewodowym wykrywaniem infekcji na ranach, ang. „wireless infection detection on wounds”, w skrócie WINDOW) został szczegółowo opisany w Science Advances. Części czujnika WINDOW wykrywające enzymy opierają się na lepkim materiale zwanym hydrożelem lub żelem DNA, wykonanym ze splątanych łańcuchów DNA.

Naukowcy opracowali ten szczególny rodzaj hydrożelu, który pozostaje stabilny w środowiskach wodnych, takich jak ludzkie ciało, ale zaczyna się rozkładać w obecności DNazy. Połączyli ten żel z chipem, który wykrywa, kiedy żel się rozpada i reaguje, wysyłając sygnał do smartfona. Sygnał ten jest nadawany za pomocą bezbateryjnego procesu bezprzewodowego zwanego komunikacją bliskiego zasięgu – tej samej technologii, która umożliwia ludziom dokonywanie płatności za dotknięciem karty kredytowej.

„Łącząc ten DNAgel z czujnikiem (chipem) możemy stworzyć całkowicie bezbateryjne urządzenie, które zmieści się pod bandażem na ranie” – mówi współautor badania, John Ho, inżynier elektryk z National University of Singapore. Osoba z przewlekłą raną lub odesłana do domu po operacji chirurgicznej może monitorować swój stan zdrowia, przybliżając smartfon do opatrunku kilka razy dziennie. Jeśli telefon otrzyma ostrzeżenie o infekcji, może wysłać automatycznie wiadomość do lekarza lub nakazać pacjentowi powrót do szpitala na antybiotykoterapię.

Rys. 2. Czujnik żelowy monitorujący infekcje w ranie

Inni badacze próbowali różnych podejść do wykrywania infekcji, w tym zaawansowanego obrazowania do monitorowania rozprzestrzeniania się bakterii i „elektronicznych nosów” do wykrywania sygnałów chemicznych infekcji. „Istnieje mnóstwo rzeczy, które ludzie w zasadzie udowodnili” – mówi June Mercer-Chalmers, kierowniczka projektu na Uniwersytecie w Bath w Anglii, która nie była zaangażowana w nowe badanie, ale pracowała w zespole, który opracował tani, ultraszybki test wymazowy na infekcje. Problem, jak mówi Mercer-Chalmers, sprowadza się do praktyczności narzędzia: czy wymaga dużo nieporęcznego sprzętu, czy ma przeszkody w uzyskaniu zgody prawnej i jak jest opłacalny. Zaznacza, że czujnik WINDOW wymaga części elektronicznych i dostępu do smartfona, co może sprawić, że będzie poza zasięgiem niektórych ludzi i szpitalnych systemów.

Do tej pory zespół badawczy przetestował użyty w czujniku żel (DNAgel) w badaniu wymazów z ran pobranych z owrzodzeń stopy cukrzycowej od 18 osób, niektórych z zakażeniem S.aureus, aby zobaczyć, jak bardzo materiał uległ degradacji w obecności bakterii. Naukowcy wykorzystali to urządzenie również na sześciu żywych myszach laboratoryjnych, których rany były narażone na kontakt z tym samym gatunkiem bakterii. Okazało się, że udało się skutecznie wykryć infekcje w ciągu 24 godzin – zanim jakiekolwiek objawy fizyczne stały się widoczne. Ponieważ czujnik WINDOW jest wciąż w fazie początkowej, planuje się dalsze testowanie go na większych grupach pacjentów i na ranach zakażonych innymi rodzajami bakterii.  

Podobny system monitorowania infekcji bakteryjnej ran stworzyli pracownicy Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii Politechniki Warszawskiej. Zbudowane przez nich urządzenie o nazwie SmartHeal mierzy poziom pH rany i wysięku, a także może poinformować o zakażeniu lekarzy, pielęgniarki, pacjentów czy opiekunów chorej osoby. Wystarczy zbliżyć telefon czy tablet do plastra, by w aplikacji odczytać, co się pod nim dzieje. Może to zrobić każda osoba opiekująca się pacjentem lub nawet sam pacjent.

Używane materiały to pasty z cząstkami przewodzącymi i materiałami czułymi na poziom pH. Nadruk jest więc sensorem chemicznym, który powstał z pasty grafenowej z tlenkiem rutenu oraz elastycznej srebrowej pasty kompozytowej. Opatrunek to warstwy jałowej gazy z plastrem. Pomiędzy warstwami gazy wdrukowany jest sensor oraz antena RFID. Antena w pobliżu czytnika otrzymuje chwilowo odrobinę zasilania. To wystarczy, by odczytać pomiar sensora i przesłać go do telefonu.

Podsumowanie   

Przedstawione przypadki pokazują, że zastosowania elektroniki noszonej, czy wykorzystanie inteligentnych materiałów, jest ściśle związane z bezprzewodową transmisją informacji, a co zatem idzie z polem elektromagnetycznym, jako nośnikiem tej informacji. Pokazane zastosowania PEM w medycynie potwierdzają opinię o pozytywnym wykorzystaniu PEM oraz o korzyściach płynących z bezprzewodowej telekomunikacji.

Źródła  

Sophie Bushwick, Gel-Based Sensor Continuously Monitors Wounds for Infection, Scientific American, 19 listopada 2021

Ze Xiong i inni, A wireless and battery-free wound infection sensor based on DNA hydrogel, Science Advances Sci. Adv. 7, 19 listopada 2021

Katarzyna Staszak, Doktoranci Politechniki Warszawskiej: Stworzyliśmy opatrunek, który wykrywa zakażenie, Gazeta Wyborcza, 17 listopada 2022