Беспроводные датчики мозга сообщение
Обновлено: 05.07.2024
Крошечные датчики размером с зернышко риса могут стать новым видом медицинских носимых устройств в ближайшем будущем. Разработанное американскими учеными устройство непрерывно отслеживает состояние нейронов в мозге человека и может использоваться для управления бионическими протезами.
Ученые из Калифорнийского университета Беркли разработали прототип беспроводного миниатюрного датчика на основе пьезокристалла, который преобразует ультразвуковые вибрации в энергию. Пьезокристалл отражает поступающие ультразвуковые импульсы, а электронные компоненты устройства собирают эти импульсы воедино и могут беспроводным способом передавать собранные данные.
Ранее ученые использовали радиоволны для работы с нейронными микроимплантами. Однако радиоволны плохо проходят сквозь мягкие ткани, в отличие от ультразвука.
Несмотря на крошечные размеры импланта — 3 мм в длину с прикрепленным кубиком в 1 мм — ученые хотят уменьшить размеры устройства до 50 микрон в ширину, т. е. сделать их в два раза тоньше волоса. При таком размере человеческий организм сможет легче адаптироваться к устройству и не будет его отторгать.
Стоит отметить, что одним из спонсоров проекта выступило DARPA, которое активно занимается исследованиями в сфере интерфейсов мозг-компьютер. В рамках программы RAM агентство разрабатывает импланты в мозг для восстановления памяти у пациентов с травмами мозга.
Также DARPA разработала искусственную руку, которая подключается к устройству, имплантированному в кость владельца. Управление рукой осуществляется за счет импульсов мозга.
Американские исследователи разработали имплантируемые в мозг беспроводные мультифункциональные датчики, которые рассасываются со временем и не требуют хирургического удаления. О своей разработке они сообщают в журнале Nature.
Мониторинг таких параметров внутричерепной среды как температура, давление, кислотность и другие необходимо при различных повреждениях мозга, например, после травмы или операции. В настоящее время оно проводится с помощью достаточно громоздких проводных вживляемых датчиков. Эти датчики могут стать входными воротами для инфекции, вызвать нежелательную реакцию тканей и после использования нуждаются в дополнительной операции по их удалению, что повышает риск развития осложнений, а также увеличивает время и стоимость лечения.
Сотрудники Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Иллиноисского университета в Урбане-Шампейне создали датчики, свободные от этих недостатков. В качестве материала для них ученые использовали полилактид-ко-гликолид (PLGA) и силикон в виде мембран толщиной в десятки микрометров, покрытых слоем оксида кремния толщиной около 100 нанометров. Интерфейсом беспроводной связи служат соединенные с полимерными наномембранами молибденовые провода толщиной 10 микрометров, которые, способны рассасываться в организме. Изменяя конфигурацию мембран, исследователи делали датчики чувствительными к давлению, току жидкости, температуре и кислотности.
Установленный в полости черепа миниатюрный датчик тончайшими молибденовыми проводами соединили с находящимся на поверхности головы беспроводным передатчиком, работающим на расстоянии более 10 метров от принимающего оборудования.
В ходе экспериментов in vitro и на лабораторных крысах новые датчики продемонстрировали характеристики, не уступающие стандартным имплантируемым проводным аналогам. При этом они бесследно растворялись как в емкости с солевым раствором, так и в спинно-мозговой жидкости живых крыс в течение нескольких дней. Никаких побочных эффектов при использовании датчиков не наблюдалось.
Исследователи отметили, что их разработку можно использовать для мониторинга состояния практически любого органа. В ближайшее время они планируют приступить к испытанию новой технологии на людях.
В 2019 году российский рынок покинули 28 препаратов. Их место вскоре займут более новые, безопасные лекарства от аллергии, рака, болевого синдрома. Изобретены устройства, улучшающие зрение, помогающие бороться с сердечными, неврологическими патологиями, проблемами костной ткани. Сейчас большинство из них уже находится на стадии клинических испытаний.
Новый безопасный анальгетик
Бесконтактное лазерное УЗИ
Его работа основывается на фотоакустическом методе, когда на кожу направляется лазерный луч, возбуждающий колебания в тканях и принимающий обратный сигнал. Для процедуры используется лазер, излучающий волны 1540 нанометров. Результат проецируется на экран монитора. Испытания проводились в Массачусетском технологическом институте на четырех добровольцах. При бесконтактном лазерном УЗИ предплечья было видно не только кожу с мышцами, но и кость. После результаты сравнивали с классическим ультразвуковым исследованием. Данный метод более точен, поскольку свет практически не проникает в ткани. Луч концентрируется на поверхности тела, что увеличивает амплитуду ультразвука. Бесконтактное УЗИ уже было опробовано на добровольцах, но пока не применяется в клиниках. Сейчас разработка будет проходить сертификацию, чтобы соответствовать международным стандартам здравоохранения.
Фармакогенетическое тестирование
Определяет генетический состав крови пациентов для адаптации назначенного лечения, основанного на индивидуальном метаболизме лекарств. Например, выявляет реакцию больного на прием опиоидов для сокращения злоупотребления данными медикаментами. Разработка сможет обеспечить положительный экономический эффект для лечебно-профилактических учреждений благодаря уменьшению расходов на коррекцию отрицательных реакций и прием неэффективных лекарств. Сейчас на базе российских клинических больниц уже практикуется подобное тестирование. Проводятся тесты на варфарин, клопидогрел, препараты группы статинов. С помощью результатов врачи прогнозируют развитие миопатий у пациентов.
Беспроводные датчики мозга
Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали беспроводные мультифункциональные датчики, имплантируемые в мозг. Со временем те рассасываются самостоятельно. С их помощью мониторят внутричерепное давление, температуру, кислотность и другие показатели после операции или травмы. Сейчас это делается громоздкими проводными вживляемыми датчиками, которые могут привести к инфицированию и ряду осложнений. Нейроэлектронная платформа состоит из 100-канального передатчика размером не более 5 см и беспроводного приемника с антеннами, расположенного на поверхности головы. Система улавливает активность десятков нейронов в коре головного мозга. Подобная разработка не уступает стандартным имплантируемым проводным устройствам. В ближайшее время будет испытана на людях.
Использование 3D-принтера
С помощью подобной технологии хирурги устраняют проблемы с костной тканью. Импланты, распечатанные на 3D-устройстве, используются при оперировании лопаток, ключиц, тазобедренного сустава, позвоночника. Эта разработка уже активно применяется на практике. В Америке был вживлен подобный коленный сустав. Его не надо менять через 20 лет, в отличие от классических стальных либо пластиковых протезов. Принтеры используют для печати объемных моделей внутренних органов. С помощью 3D-технологии хирурги Морозовской больницы в 2019 году спасли легкое 3-летнего ребенка. Сейчас в России посредством 3D-печати производятся ортопедические спинные корсеты, предназначенные для пациентов в период послеоперационной реабилитации.
Вакцина от аллергии на березу
Разработкой занимались российские и австрийские ученые. Ими был создан аналог основного аллергена березы. Сейчас аллергическая реакция на пыльцу дерева выявлена у 20% россиян. С каждым годом эти показатели растут. Благодаря исследованиям выявлено, что средство способно образовывать защитные антитела и блокировать аллергию. В будущем вакцина сможет полностью избавить от непереносимости. В настоящее время препарат проходит доклинические испытания. Его можно будет применять беременным детям, пожилым людям.
Лекарство от рака печени
Российские ученые успешно провели доклинические испытания нового препарата на основе радиоактивного изотопа иттрий-90. Сейчас некоторые больные уже принимают данный медикамент. Полагается, что он поможет вылечить метастатический рак, который сейчас не поддается терапии. Метастазы в печени могут формироваться при наличии первичной опухоли в легких, желудке, кишечнике (до 50% случаев), в молочной железе (до 30%), в почках, половых органах. Аналоги медикамента уже имеются за рубежом, но стоят очень дорого и ограничены сроком годности. Российское лекарство значительно облегчит жизнь людям с онкологией. Оно разрабатывается на базе микросфер альбумина, которые оседают в опухоли и уничтожают ее облучением.
Чрескожная замена сердечного клапана (TAVI)
Применяется при аортальном стенозе, распространенность которого колеблется в пределах 4–7% от всех пороков сердца. Ранее патологию лечили открытым способом — вскрывалась грудная клетка, вследствие чего оставался заметный рубец на коже и был велик риск осложнений. Достижения в области хирургии позволяют выполнить подобную операцию чрескожным методом. Для этого был разработан самораскрывающийся протез (CoreValve), имплантируемый с помощью внутрисосудистого катетера. Сейчас он активно используется российскими медиками.
Врачи делают небольшой надрез (до 1,2 см) в паховой области, в бедренную артерию вставляют катетер диаметром 1 см, который продвигается в полость сердца. По нему клапан вводится в больной орган. При этом дыхательная и сердечная функция пациента не прерываются. К 2016 году на территории России выполнено около 500 подобных операций, и с каждым годом это число растет.
Кислородные инъекции
Учеными из детской клиники Бостона были разработаны микрочастицы с кислородом, которые можно вводить в кровоток. Это позволит человеку жить, даже когда он не может дышать. Уже было изобретено устройство, помогающее находиться под водой на протяжении долгого времени. Это концепт Micro Algae Scuba, при котором кислород вырабатывается за счет морских водорослей. Новый метод более эффективный. Инъекции способны насыщать кровь кислородом до 30 минут. Они понадобятся людям с приступами удушья, будут использованы в военно-полевой хирургии, медицине катастроф. Вместо трахеотомии, когда в трахею вводится трубка через отверстие в горле, можно будет сделать один укол, чтобы спасти жизнь человеку. Средство основано на жировых частицах, содержащих молекулы кислорода, которые высвобождаются в процессе контакта жира с эритроцитами, напрямую обогащая плазму кислородом. Пока разработка находится на стадии испытаний.
Бионические линзы для сверхчеловеческого зрения
Компания Ocumetics Technology Corporation из Канады разработала и протестировала изделие Bionic Lens, позволяющее заменить очки с контактными линзами. Это имплант, устанавливаемый на глазной хрусталик. Физиологический раствор с линзой вводится в глаз посредством шприца. Спустя 10–15 секунд материал распрямляется, накрывает естественный хрусталик, полностью восстанавливая зрение. С помощью этих линз можно будет фокусироваться на предмете, удаленном до 30 метров, причем диапазон фокусировки значительно шире обычного. Глаза с таким устройством практически не напрягаются. По словам изобретателя доктора Гарта Уэбба, с его помощью можно разглядеть мельчайшие узоры на кончиках пальцев. Пока изделие проходит лабораторные испытания. Вскоре устройство будет модифицировано, благодаря чему изображение получится выводить на экран смартфона. Известна даже цена разработки — $3200 за одно изделие. За операцию придется доплатить отдельно.
Автор: Кристина Фирсова
До настоящего момента исследования ученых в области неврологии серьезно затрудняла необходимость использовать множество кабелей для подключения датчиков, доставляющих информацию о работе мозга, к компьютеру для последующего анализа данных. Для решения этой проблемы, разработана беспроводная система зондирования мозга, позволяющая получать нейронные данные высокой точности в ходе экспериментов по наблюдению за поведением животных.
В статье, опубликованной в журнале Neuron, описывается работа нового высокоскоростного устройства передачи данных с низким энергопотреблением. Технология разработана для увеличения возможностей исследований в области неврологии, которые не могут проводиться с использованием существующих датчиков, ограничивающих подвижность объектов изучения подключенными кабелями.
Результаты экспериментов, приведенные в статье, подтверждают новые возможности спроектированного устройства. Показано, что технология позволяет передавать ценные, высокоинформативные сигналы от мозга животных в то время как они спят, бодрствуют и передвигаются.
Изготовленная на заказ нейроэлектронная платформа состоит из двух элементов: 100-канального передатчика, имеющего размер всего 5 см по его большей стороне и весящего всего 46.1 г, и приемника, оснащенного четырьмя антеннами, похожего по виду на домашний Wi-Fi роутер, но оборудованного самой современной системой обработки сигналов, позволяющей максимально усиливать его в моменты движения объекта. Через небольшой, встроенный в череп объекта порт, передатчик подключается к крошечной имплантированной электродной решетке, которая отмечает активность десятков нейронов в коре головного мозга. Беспроводной передатчик совместим с различными видами и классами мозговых датчиков.
В исследовании демонстрируется, что передатчик может работать непрерывно в течение более 48 часов от одной аккумуляторной батарейки АА типа, осуществляя высокоскоростную передачу данных непосредственно из мозга.
Когда у пациента происходит черепно-мозговая травма, врачи должны контролировать внутричерепное давление, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение головного мозга. В настоящее время есть мониторы, которые могут контролировать давление, но они большие и громоздкие. Авторы данного исследования разработали растворимый беспроводной датчик для мозга.
Исследователи говорят, что их имплантаты могут быть использованы для мониторинга пациентов с черепно-мозговой травмой (ЧМТ), но подобные датчики можно использовать и для мониторинга других органов. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature.
ЧМТ вызывается ударом по голове, что нарушает нормальную функцию мозга. Хотя не все удары приводят к ЧМТ, тяжесть травмы может варьироваться от легкой до тяжелой, в том числе травма может вызвать длительные периоды потери сознания или амнезии.
Нет никакого способа, чтобы оценить уровень давления мозга, когда пациент попадает в больницу с ЧМТ. На сегодняшний день врачи используют устройства на основе технологии от 1980 года.
Несмотря на то, что применение биомедицинских электронных устройств движется вперед, главным препятствием является то, что имплантаты в теле часто вызывают проблемы для пациентов. Чтобы их обойти, доктор Мерфи с соавторами разработали устройство, изготовленное из поли(молочной-со-гликолевой кислоты) и силикона, которые могут передавать показания давления, температуры и другую информацию.
Ученые впервые опробовали датчики в соленых ваннах, в результате чего они растворились в течение нескольких дней. Следующим шагом была проверка устройства на лабораторных крысах. После успешных испытаний датчики полностью растворились в головном мозге крыс. Исследователи теперь планируют проверить свои датчики на больных людях.
У пациентов с ЧМТ для уменьшения давления часто требуется операция. Новые устройства могут быть размещены в головном мозге в нескольких местах во время операции для дальнейшего мониторинга пациента.
Ключевым преимуществом нового устройства является его растворимость. Кроме того, не требуется операции по их удалению, устройства уменьшают риск инфекции и других осложнений. Датчик может работать непрерывно в течение 3 дней, эти сроки являются достаточными для клинического использования.
Подробнее в научной статье:
Читайте также: