Der er en masse brummer omkring bærbar elektronik i disse dage - Google ekspanderer for eksempel til brillebransjen, mens andre virksomheder krymper for deres andel af markedet med højteknologiske klip og ure, der sporer, hvad du spiser, og hvordan du bevæger dig .
Relateret indhold
- Den irske kardiolog, hvis opfindelse reddede LBJ
- Elektronik, der kan smelte i din krop, kan ændre medicinenes verden
Men ingen af dem er fjernt ligesom hvad John Rogers, 2013 Smithsonian American Ingenuity-prisvinderen inden for fysiske videnskaber, udvikler. Hans enhed, ser du, er konstrueret ikke kun til at passe som en handske, men også måske en dag redde bærerens liv.
Materialeforskeren sammen med sit team af studerende ved University of Illinois i Urbana-Champaign har med succes testet, hvad der bedst beskrives som en sok for hjertet. Enheden, der er monteret over hele hjertets overfladeareal, består af en række sensorer, der med uhyggelig præcision overvåger de indre funktioner i dette mest vitale organ. Hvis den opdager en urolig abnormitet, kan den videresende data til medicinsk fagfolk; i en nødsituation, såsom under et hjerteanfald, kunne det endda gribe ind ved at indgive en elektrode-induceret puls.
Normalt pumpes hjertet på en måde, der er så effektiv, at vi næppe bemærker, at det fungerer. Men for dem med hjerterytmeforhold kan hjertekontraktioner, der er synkroniseret, være svækkende - hvilket forårsager lethed, svaghed, opkast og brystsmerter, for dem med arytmi - eller, i nogle tilfælde, dødbringende. Over tid kan rytmiske uregelmæssigheder forårsage blodpropper (som undertiden fører til slagtilfælde) og i ekstreme tilfælde hjertestop.
Læger kan normalt ordinere medicin for at rette op på denne slags problemer. Men i nogle tilfælde skal patienter henvende sig til kirurgiske indgreb, såsom pacemakere eller hjertestarterimplantater. Og selvom disse enheder fungerer tilstrækkeligt nok, er mekanismen, de bruger til at regulere en persons hjerterytme, faktisk ganske rå. Med defibrillatorimplantater er et par elektroder placeret inde i hjertekammeret. Hver gang en livstruende arytmi opdages, sender defibrillatoren et elektrisk stød, der svækker hjertet tilbage til en normal rytme. Problemet med denne tilgang, siger Rogers, er, at aktivitet fra et andet hjerteområde ved en fejltagelse kan udløse en smertefuld støt, når der ikke rigtig er behov for det.
Rogers 'enhed omslutter hjertet i et meget mere sofistikeret sansesystem, der kan pege nøjagtigt, hvor en rytmisk uregelmæssighed forekommer. På en måde fungerer det som nerveenderne på en sekundær hud.
”Det, vi ønskede, var at udnytte den fulde kraft af kredsløbsteknologi, ” siger Rogers om enheden, der er to og et halvt år i produktion. ”Med en masse elektroder kan enheden tempo og stimulere på en mere målrettet måde . At levere varme eller impulser til bestemte placeringer og gøre det i målelige doser, der er lige tilstrækkelige, er vigtigt, fordi anvendelse af mere end nødvendigt ikke kun er smertefuldt, men det kan skade hjertet. "
Dette trin-for-trin-diagram illustrerer, hvordan hjerteenheden blev oprettet. (University of Illinois og Washington University) Udover dets potentiale som et nødsituation i hjertet, giver hjertesokkens elasticitet mulighed for en række andre elektroniske og ikke-elektroniske sensorer, der kan overvåge calcium-, kalium- og natriumniveauer - betragtes som nøgleindikatorer for hjertesundhed. Membranen kan også programmeres til at spore ændringer i mekanisk tryk, temperatur og pH-niveauer (surhed), som alle kan hjælpe med at signalere et forestående hjerteinfarkt.
For at fremstille prototypeskeden scannede forskerne først og 3D trykte en plastisk model af en kaninhjerte. De arrangerede derefter en bane med 68 små elektroniske sensorer over formen og lagde den med et lag af FDA-godkendt silikongummimateriale. Efter gummisættet afskaledes Rogers 'labassistenter den specialforberedte polymer.
For at teste membranen pakket forskerne det rundt om et ægte kaninhjerte, koblet til en mekanisk pumpe. Holdet konstruerede enheden til at være en smule mindre end det egentlige organ for at give det en blid, handskelignende pasform.
"Den vanskelige ting her, " siger Rogers, "er, at membranen skal dimensioneres på en sådan måde, at den kan skabe lige nok tryk til at holde elektroderne i tilstrækkelig kontakt med overfladen. At trykke for hårdt får hjertet til at reagere i en negativ måde. "
"Det skal passe lige, " tilføjer han.
Som Michael McAlpine, en maskiningeniør ved Princeton University, der ikke var involveret i forskningen, fortalte forskeren : " Hvad der er nyt og imponerende her er, at de har integreret en række forskellige funktionaliteter i en membran, der dækker hele hjertets overflade . Denne spredning af sensorer giver et højt niveau af rumlig opløsning til hjerteovervågning og giver mere kontrol, når det kommer til stimulering. "
Så hvad skal der til for dette gennembrud at gå fra laboratorium til patient? Rogers estimerer mindst et andet årti med udvikling, inden noget kunne være klar til det medicinske marked. I mellemtiden planlægger han at fortsætte samarbejdet med Washington University's biomedicinske ingeniør Igor Efimov for at forfine proof-of-concept til en praktisk, sikker og pålidelig teknologi.
En vigtig hindring er at finde ud af, hvordan man kan tænde membranen uden konventionelle batterier. I øjeblikket undersøger Rogers og hans team et par alternativer, såsom ultralydopladning, en metode, hvor strøm transmitteres trådløst gennem huden, samt brug af piezoelektriske materialer, der fanger energi fra det omgivende miljø. For sidstnævnte er der nogen præcedens for succes. For to år siden udnyttede ingeniører ved University of Michigan sådanne materialer til at udvikle en pacemaker, der udelukkende blev drevet af brugerens hjerteslag.
”Da vi forsøger at indarbejde meget flere sensorer såvel som at levere elektriske impulser og varme, vil det tage mere energi end den mængde, der genereres til konventionelle pacemakere, ” siger Rogers. "I fremtiden håber vi, at vi kan forbedre effektiviteten."
Et andet afgørende element er at starte en måde at sende data til en ekstern gadget på, så patienter og specialister kan få adgang til dem. Lige nu registrerer sensorerne ting som ændringer i temperatur og PH blandt andre mønstre, men forskere har endnu ikke fundet en måde at levere disse data trådløst på.
"Bluetooth-kommunikation er lavt drevet, så vi ser på det, " siger Efimov. ”Grundlæggende kræver enheden flere komponenter, og vi har brug for eksperter på andre områder som elektronik, telemetri og software. Så i sidste ende bliver vi nødt til at skaffe risikokapital og starte et firma. "
Lige nu er fokus at få ærmet til at fungere som et praktisk udstyr; der er ikke noget at fortælle, hvor meget det vil koste at producere, eller hvor meget det vil koste forbrugere, når det kommer til markedet.
Det store spørgsmål er dog i sidste ende, om hjertesokken vil fungere sikkert og effektivt in vivo eller i faktiske levende testpersoner. Pacemakere kan typisk vare 10 år. For at være praktisk ville Rogers 'opfindelse også være nødt til at demonstrere, at den kan forblive operationel i mindst så længe. Holdet forbereder sig på at tage det næste skridt med en pilot, der vil teste membranen inde i en levende kanin, en test, de håber at gennemføre med finansiering fra National Institute of Health sammen med andre tilskud, de arbejder for at sikre. Hvis alt går godt, vil den næste test af, om gadgeten er i gang med snus, være på mennesker.
