За последний сто лет медицина сделала огромный шаг вперёд, уничтожив страх перед множеством болезней, научившись бороться со смертью в случаях, которые ещё относительно недавно казались безнадёжными, и вдвое увеличив продолжительность жизни человека. За XX век союзниками медицины стали биология, химия, механика, генетика, иммунология…
Современная медицина может творить чудеса... с помощью техники
Третье тысячелетие подарило медицине нового соратника – электронику. Этот союз можно назвать очередным витком представлений о человеческом теле как о машине. Только теперь в руках у исследователей и инженеров находятся гораздо более тонкие технологии и более эффективные инструменты. Благодаря им, а также тому, что было наработано биологией, химией, генетикой… человеческая жизнь уже в ближайшие десятилетия может вновь увеличится вдвое, а пугающие всех болезни и недуги отойдут в разряд бытовых неурядиц.
В нашем дайджесте мы вкратце расскажем о наиболее интересных и перспективных разработках в сфере медицины и здоровья. Некоторые из этих разработок уже успешно применяются и могут быть доступны людям.
На пульсе прогресса
Как известно, регулярная профилактика и мгновенная помощь при первых симптомах болезни может спасти человека от очень серьёзных бед и осложнений. Ещё недавно анализы и диагностические исследования требовали серьёзной и габаритной техники, а также использования уникальных устройств. Однако развитие электроники позволило приблизить нужный инструментарий к широкой аудитории, а миниатюризация конструкции приборов сделала их применимыми в повседневном обиходе…
Наиболее простой способ диагностики возможных проблем сердечнососудистой системы – постоянный контроль за пульсом и давлением. Это отлично известно уже не более сотни лет. Похожий возраст имеют и классические приборы контроля – стетоскоп и тонометр. Для их использования человеку нужно иметь некоторые навыки – что, собственно, и становится нередко препятствием.
Современная исследования в электроники, связанные с измерением пульса и давления, весьма многочисленны. Весьма интересен, к примеру, образец из Оксфордского университета. Это электрический стетоскоп для прослушивания ритмов сердца, выполненный в виде спаренных микрофона и наушника. Особенность оксфордской разработки в том, что функциональной основой для их стетоскопа служит мобильный телефон, оснащённый универсальным стереовыходом. Помимо непосредственного прослушивания, телефон также служит тут устройством записи и анализа записанного материала. Согласно проведённым тестам, телефонный стетоскоп показал более высокую эффективность, чем знаменитый Littmann Electronic Stethoscope компании 3M.
Пульс хороший, а причёску надо поправить
Весьма творчески к проблеме измерения пульса подошли студенты исследовательской лаборатории. Их изобретение – зеркало, в раму которого установлена камера и электронные компоненты MIT Media Lab для анализа. Камера делает снимок лица человека по время его сеанса у зеркала, электроника анализирует данные о цвете лица и его изменении за счёт пульсации, а результат – число сердечных сокращений в минуту – выводится непосредственно на зеркальную поверхность, в области специального мини-дисплея. Таким образом в процессе каждого «свидания» с зеркалом человек узнаёт и о состоянии своей сердечнососудистой системы.
Подобным образом работает и приложение, написанное для платформы iOS компанией Cardiio. Программа используя тот же алгоритм MIT Media Lab по анализу отражательной способности лица во время сжатия сердечной мышцы. Только тут в качестве сенсора используется камера смартфона.
Дышите, не дышите. Светите, не светите
Технологии контроля пульса коснулись и пациентов находящихся на стационарном лечении. К примеру, японский изобретатель Нода Акира решил немного облегчить работу дежурящих медсестёр, предложив два устройства по анализу дыхания и сердцебиения. Оба они представляют собой небольшие сенсоры, сопряжённые со световым элементом LED. Для контроля дыхания устройство вставляется в ноздрю пациента, а устройство для контроля сердцебиения может крепиться где угодно на теле.
Проверка биометрических параметров важна не только для больных людей, но и для новорождённых, силы которых ещё не вполне достаточны для сопротивления окружающей среде. Для них компании Exmovere и AT&T разрабатывают специальные пижамы со встроенными сенсорами. Сенсоры собирают информацию о сердцебиении ребёнка, температуре его тела, мышечной активности и т.д. Эта информация через беспроводное подключение к сети может пересылаться на смартфоны, планшеты или компьютеры.
Анализ инноваций
Современной электронике становятся подвластны и более сложные виды анализов состояния человеческого организма. При этом, как мы уже говорили, речь идёт о значительной миниатюризации самих устройств, упрощении работы с ними и использовании методов, исключающих травмирование.
Изо рта запахло гепатитом...
Хорошим примером такого похода может быть разработанный в университете Висконсина-Мэдисона прибор, способный проводить первичную диагностику некоторых опасных заболеваний по составу выдоха. Внешне устройство похоже на увеличенных размеров алкотестер. Принцип его действия подобен: пациент дует в трубочку, а электроника аппарата анализирует состав. В отличие от алкотестера, мэдисонский анализатор проверяет не наличие спирта, а соотношение изотопов углерода в углекислом газе. Дело в том, что различные болезни по разному влияют на процессы расщепления и синтеза белков – что отражается в составе выдыхаемых изотопов углерода – С-12 и С-13.
А вот группа разработчиков во главе с доктором Юн Ху из Акронского университета (Огайо, США) решила помочь людям, имеющим одновременно ослабленное зрение и предрасположенность к диабету. Их инновация – это контактные линзы, способные следить за уровнем сахара в крови. В состав линз входит вещество, которое окрашивается под действием раствора глюкозы определённой концентрации. Глюкоза же на поверхность линз может поступать из слёз, которыми организм постоянно омывает глазное яблоко. Работа над прототипом линз длилась более трёх лет.
Ещё серьёзнее выглядит изобретение учёных из Школы прикладной науки и инженерии при Калифорнийском университете, которые на основе смартфона создали компактный анализатор пищевых аллергенов. Устройство носит название iTube и совместимо с гаджетами на платформах iOS и Android. Принцип работы iTube – колориметрический. Для получения результата тестируемый продукт необходимо растолочь и развести в воде. Полученную субстанцию в пробирке поместить в устройство. С помощью приложения на смартфоне нужно выбрать предполагаемый аллерген, к которому чувствителен пациент. Далее устройство само смешает субстанцию в пробирке с реактивами и проанализирует получившуюся смесь камерой смартфона.
УЗИ на смартфоне - нормальная процедура ближайшего будущего
Смартфон задействован и в комплекте для ультразвукового исследования, выпущенном компанией Mobisante. Устройство названо MobiUS SP1, оно работает со смартфоном Toshiba TG01 и использует платформу Windows Mobile 6.5.
Не на смартфон, а на считыватель отпечатков пальцев решили сделать ставку инженеры компании Intelligent Fingerprinting, разработав сканер совмещённый с анализатором наркотических средств. Устройство работает совершенно незаметно – не прокалывая подушечку пальца и не беря из неё кровь. Анализируемой субстанцией является пот, который всегда имеется в бороздках благодаря функции испарения кожи.
Анатомия науки
При всём развитии медицины и сопутствующих ей наук, основным фактором успешной борьбы за здоровье людей остаётся профессионализм врачей. Хороший врач – это всегда годы учёбы и десятилетия практики, неразрывно связанных с изучением тела человека: здорового, больного, мёртвого. К счастью, современный прогресс шаг за шагом позволяет отходить от привычной практики вскрытия могил, экскурсий в анатомический театр и посещения моргов…
В авангарде процесса, ведущего к замене неживого человеческого тела на виртуальный аналог стоит японская наука. Например, японская группа Fuyo и Международный центр медицины при Медицинском университете Сайтамы представили Cybram 001 Cybernetic Brain Artery Model – модель кровообращения сосудов мозга в натуральную величину человеческого тела. Cybram 001 используется для обучения студентов и повышения квалификации врачей-нейрохирургов. Модель, помимо кровеносной системы мозга, имитирует всю кровеносную систему человека – для этого в Cybram 001 установлен специальный насос и закачена имитирующая жидкость. Параметры работы «кровеносной системы» - давление, частота ударов и так далее симулируется в соответствии с производимыми действиями в реальном времени. Для наблюдения за параметрами у модели имеется специальный дисплей.
В свою очередь сотрудники Университета Гифу поставили перед собой и выполнили задачу создания виртуальной анатомической модели всего человека. Их разработка состоит из основы-экрана, проектора и датчиков. Экран имеет форму упрощённого в деталях человеческого тела. При наложении на неё изображения с проектора получается вполне достоверная картина расположения органов, нервных окончаний, сосудов и мышц. Датчики же корректируют наложение, соотнося его с местоположением и полем зрения наблюдателей.
Технологии лечения
Хотя слово «лечение» в сознании большинства связано с приёмом лекарств, особыми процедурами или операциями, в наше время для возвращения здоровья людям используют самые разные варианты – включая, разумеется, и достижения науки и технологии.
Челюсть, напечатанная на 3D-принтере
К примеру, для экстренного протезирования разрушенной челюсти сотрудники бельгийского исследовательского института BIOMED использовали 3D-принтер. Пациентом была 83-летняя женщина. В её случае было невозможно ждать несколько дней – именно столько необходимо для создания имплантата традиционным способом. Печать же на 3D-принтере с помощью пылеобразного титана позволила врачам провести операцию уже через несколько часов.
А вот учёные из Университета Пенсильвании использовали 3D-принтер для создания сосудистой основы, необходимой для выращивания тканей. В качестве материала печатающего узла использовалась сахарозы и глюкозы, укреплённая полимером на основе кукурузы. На напечатанную 3D-принтером сеть позже распределяется биологический материал, который должен стать тканью. По мере роста, ткань растворяет сахаристую сетку, оставляя на месте пустоты в виде сосудов. Через них и будет в дальнейшем доставляться питание клеткам.
Курсор во рту
Инженеры из компании Georgia Tech обратились в своих разработках к теме помощи людям, паралич тела которых охватывает все органы – от шеи до пальцев ног. Результатом работы учёных стал комплекс Tongue Drive System, который позволяет управлять объектами: от кресел-каталок до курсора на экране монитора – с помощью языка. Для этого в верхнее нёбо вживляется сенсор из магнита-указателя, четыре дополнительных сенсора устанавливаются в пломбы угловых зубов, а управляющий элемент вживляется в язык пирсингом.
Живое будущее
Лечение, связанное с восстановлением функций организма после потери какого-либо органа – наиболее сложная область медицины, где ещё недавно практически не было и не могла быть никаких успехов. Лишь в середине XX века усилиями лучших хирургов и благодаря открытиями иммунологов у таких пациентов появилась надежда. Благодаря развитию электроники и миниатюризации технологических процессов, в XXI веке у людей, потерявших конечность, зрение, слух, имеющих неоперабельную болезнь сердца, почек или лёгких есть шанс жить обычной, полноценной жизнью…
К примеру, вопросом восстановления зрения с помощью светочувствительных матриц успешно занимаются сразу несколько компании. Одна из них - Second Sight, производящая целую линейку электронных сетчаток Argus. Новая версия, Argus II имеет встроенный переводчик текстов в шрифт Брайля. Матрица Argus II имеет разрешение 10 на 6 точек, чего вполне достаточно для визуализации символов Брайля, которые имеют стандартный шаблон 2 на 3. Для перевода текста в шрифт брайля человек должен держать его прямо перед глазами. Символы Брайля будут появляться на искусственной сетчатке по одному со скоростью примерно 1 в секунду. Как показывают тесты, пока точность распознавания букв переводчиком Argus II равна 89 процентам.
Вернуть зрение ослепшим помогают и в израильской компании Nano Retina, где успешно завершена разработка чипа Bio-Retina. Этот микрочип вводится в дно глазного яблока и, воспринимая световой поток своими фотодетекторами, передает его в виде электрических импульсов на нервные окончания. В качестве источника питания чип использует заряд батареи, встроенной в очки. В настоящее время Nano Retina обладает лишь базовой технологий, которую собирается развить. На следующем этапе компания хочет провести испытания конструкции Bio-Retina состоящей из 576 фотодетекторов и дающей картинку 24 на 24 точки. Если пройдет успешно, далее будет опробована искусственная сетчатка с разрешением 72 на 72 точки, что приблизительно должно давать картинку, сравнимую по качеству с картинкой первых ламповых телевизоров.
Успешной можно назвать и разработку биоэлектрических протезов ноги, которые на сегодняшний день также разработаны несколькими компаниями. Так, протез BiOM – детище компании iWalk. По словам главы iWalk, профессора Хью Херра (он потерял обе ноги ещё в молодости, спасаясь от снежной бури), BiOM - это протез, максимально точно воспроизводящих движения настоящей ноги. Кроме того, будучи, механизмом, BiOM обладает большей мощностью и силой, что благотворно влияет на усталость владельца протеза.
Ещё больший успех сопутствует биопротезу Реабилитационного центра при Институте медицинской бионики города Чикаго. Использующий его 31-летний Зак Воутер (потерял ногу после мотоаварии в 2009 году) совершил публичное восхождение на 103 этаж небоскрёба Sears Tower.
Среди протезов передней конечности можно отметить разработку компании RSL Steeper. Новейшая модель Bebionic 3 - это миоэлектрический протез с двойной системой управления. 14 наиболее необходимых в быту движений запрограммированы в нём и вынесены на «ручное» управление. Тонкие же движения механических суставов управляются с помощью остаточных импульсов нервных окончаний культи.
Огромные надежды возлагаются на работу учёных из Питтсбургского университета, сумевших объединить блок управления рукой-роботом с нервными окончаниями мозга парализованной женщины. Пациентка 52 лет уже через два дня тренировок добилась осмысленного управления автоматической рукой силой собственных мыслей.
Наконец, нужно рассказать о выставленном в лондонском Музее науки экспонате по имени Рэкс, который представляет собой человеческое тело, собранное из всех тех разработок, которымы медицина располагает на сегодняшний день. Помимо вышеперечисленного выше в Рэксе можно найти:
- Полимерные артерии и трахею, созданную лондонской больнице Royal Free.
- Искусственную полимерную пасту из университета Шеффилда, заменяющую кровь.
- Картриджную систему фильтрации из Калифорнийского университета, способную заменить почки.
- Искусственное сердце от компании SynCardia Systems.
- Состоящие из полимерных волокон искусственные лёгкие, разработанные компанией Haemair.
Наконец, в теле Рэкса, на данный момент оцениваемого в миллион долларов, можно найти замену разрушенной селезёнке и поджелудочной железе…
Поделиться
