แผ่นแปะผิวหนังไร้แบตเตอรี่จาก NUS อาจติดตามความดันโลหิตได้ตลอด 24 ชั่วโมง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ (NUS) พัฒนาเครือข่ายเซ็นเซอร์ผิวหนังแบบไร้แบตเตอรี่ ซึ่งออกแบบมาเพื่อประเมินความดันโลหิตตัวบนอย่างต่อเนื่องระหว่างที่ผู้ใช้หลับ ออกกำลังกาย และใช้ชีวิตประจำวัน แทนที่จะติดตั้งแบตเตอรี่และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไว้ในอุปกรณ์แบบสมาร์ตวอตช์ ระบบต้นแบบนี้ใช้เซ็นเซอร์ที่แนบกับผิวหนัง 2 จุด สมาร์ตโฟน และเสื้อผ้าที่มีเส้นใยนำไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม นี่คือหลักฐานยืนยันแนวคิดในระยะต้น ยังไม่ใช่อุปกรณ์วัดความดันสำหรับใช้ทางการแพทย์ที่วางจำหน่ายแล้ว การทดลองที่รายงานมีผู้เข้าร่วมเพียง 5 คน จึงยังต้องมีการศึกษากับกลุ่มตัวอย่างที่ใหญ่ขึ้น ก่อนจะพิจารณาว่าระบบนี้สามารถทดแทนอุปกรณ์วัดความดันที่ผ่านการรับรองทางคลินิกได้หรือไม่

ทำไมการติดตามความดันอย่างต่อเนื่องจึงสำคัญ

โดยทั่วไป การวัดความดันโลหิตด้วยปลอกแขนมักทำขณะนั่งนิ่งและพักอยู่ วิธีนี้เหมาะกับการตรวจค่าขณะพัก แต่ก็อาจทำให้ช่วงเวลาสำคัญของรูปแบบความดันตลอดทั้งวันไม่ถูกบันทึก

ช่วงหลับและตื่นอาจเผยรูปแบบที่ต่างออกไป

ความดันโลหิตอาจไม่ได้รับการวัดระหว่างหลับสนิทหรือทันทีหลังตื่นนอน การเปลี่ยนแปลงในช่วงกลางคืน หรือการเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนหลังตื่น จึงอาจไม่ปรากฏจากการตรวจเป็นครั้งคราวในเวลากลางวัน โครงการของ NUS มุ่งบันทึกการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ในช่วงเวลาที่เกิดขึ้นจริง แทนการพึ่งพาค่าที่วัดขณะพักเพียงไม่กี่ครั้ง

การออกกำลังกายแสดงการตอบสนองของหัวใจและหลอดเลือด

การออกกำลังกายทำให้ความดันตัวบนเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว การติดตามระหว่างทำกิจกรรมอาจช่วยให้นักวิจัยและแพทย์ศึกษาการตอบสนองที่สูงหรือต่ำผิดปกติ ซึ่งการวัดด้วยปลอกแขนขณะพักไม่สามารถแสดงให้เห็นได้ ทีมวิจัยรายงานว่าได้ทดสอบระบบระหว่างการเดินทาง การนอนหลับ และการออกกำลังกาย รวมถึงการออกแรงหนัก

ปลอกแขนและอุปกรณ์สวมข้อมือต่างมีข้อแลกเปลี่ยน

เครื่องวัดความดันแบบปลอกแขนยังเป็นอุปกรณ์อ้างอิงที่คุ้นเคยและใช้กันอย่างแพร่หลาย แต่การพองลมอาจรบกวนการนอน และผู้ใช้มักต้องอยู่นิ่งขณะวัด ส่วนอุปกรณ์สวมข้อมือสะดวกกว่าสำหรับการใส่ต่อเนื่อง แต่ต้องชาร์จแบตเตอรี่ และการประเมินความดันแบบไม่ใช้ปลอกแขนยังต้องผ่านการตรวจสอบอย่างรอบคอบเทียบกับวิธีอ้างอิงที่ยอมรับ

ต้นแบบของ NUS พยายามแก้ปัญหาทั้งสองด้าน โดยออกแบบให้ติดอยู่บนผิวหนังขณะเคลื่อนไหวตามปกติ และไม่ต้องมีแบตเตอรี่ติดอยู่กับเซ็นเซอร์แต่ละตัว แต่ความสะดวกนี้ไม่ควรถูกตีความว่าอุปกรณ์พร้อมใช้ในทางคลินิกแล้ว

เซ็นเซอร์หน้าอกและข้อมือประเมินความดันได้อย่างไร

ระบบนี้ไม่ได้วัดความดันด้วยการพองปลอกแขน แต่ผสานสัญญาณด้านเวลาและสัญญาณทางสรีรวิทยา 2 ชนิดเข้าด้วยกัน

1. เซ็นเซอร์ที่หน้าอกบันทึกกิจกรรมไฟฟ้าของหัวใจ ขั้วไฟฟ้าแพลทินัมแบบแห้งตรวจจับสัญญาณไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการหดตัวของหัวใจและการสูบฉีดเลือดออกจากหัวใจ
2. เซ็นเซอร์ที่ข้อมือตรวจจับชีพจรที่เดินทางมาถึง เซ็นเซอร์ออปติคัลวัดการเปลี่ยนแปลงแบบเป็นจังหวะของปริมาตรเลือดบริเวณข้อมือ
3. ระบบคำนวณช่วงเวลาหน่วงระหว่างสัญญาณทั้งสอง ช่วงเวลานี้เรียกว่า “เวลาเดินทางของชีพจร” หรือ pulse-transit time ซึ่งหมายถึงเวลาที่คลื่นชีพจรเดินทางจากหัวใจไปยังบริเวณข้อมือ
4. นำช่วงเวลาดังกล่าวไปประเมินความดันตัวบน โดยทั่วไป เวลาเดินทางที่นานขึ้นสัมพันธ์แบบผกผันกับความดันที่ต่ำลง ระบบจึงใช้ข้อมูลนี้เพื่ออนุมานการเปลี่ยนแปลงของความดัน ไม่ได้วัดแรงดันโดยตรงแบบเครื่องวัดที่ใช้ปลอกแขน

ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์จึงควรถูกเรียกว่าเครื่องประเมินความดันแบบไม่ใช้ปลอกแขนมากกว่าเครื่องวัดความดันโดยตรง ค่าที่ได้ขึ้นอยู่กับสัญญาณจากเซ็นเซอร์ การคำนวณเวลา และการสอบเทียบ จึงต้องประเมินประสิทธิภาพเทียบกับค่ามาตรฐานในคนหลายกลุ่มและหลายสภาวะ

เสื้อผ้าช่วยจ่ายไฟและส่งข้อมูลอย่างไร

ต้นแบบนี้เปลี่ยนเสื้อแขนยาวทั่วไปให้เป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายอุปกรณ์สวมใส่ เส้นทางที่ทำจากผ้านำไฟฟ้าทองแดง–นิกเกิลเชื่อมตำแหน่งของเซ็นเซอร์เข้าด้วยกัน ขณะที่ผู้ใช้พกสมาร์ตโฟนไว้บริเวณต้นแขน

สถาปัตยกรรมของระบบใช้การสื่อสารไร้สาย 2 ช่องทางเพื่อทำหน้าที่ต่างกัน

• การส่งพลังงานผ่าน NFC ที่ 13.56 เมกะเฮิรตซ์: ขดลวดในสมาร์ตโฟนสร้างสนามแม่เหล็ก และขดลวดของเซ็นเซอร์แปลงพลังงานจากสนามใกล้ให้เป็นกระแสไฟฟ้า
• การส่งข้อมูลผ่าน Bluetooth ที่ 2.4 กิกะเฮิรตซ์: เมื่อเซ็นเซอร์ได้รับพลังงานแล้ว เซ็นเซอร์จะส่งข้อมูลทางสรีรวิทยากลับไปยังสมาร์ตโฟน

ผ้านำไฟฟ้าได้รับการออกแบบให้แยกช่องทางจ่ายพลังงานระยะใกล้ออกจากช่องทางส่งข้อมูล Bluetooth กล่าวง่าย ๆ คือ สมาร์ตโฟนทำหน้าที่เป็นศูนย์กลาง ทั้งจ่ายพลังงานให้เซ็นเซอร์ที่กระจายอยู่บนร่างกายและรับข้อมูลกลับมา โดยไม่ต้องติดแบตเตอรี่ไว้บนผิวหนัง

แนวคิดนี้ต่อยอดจากงานวิจัยก่อนหน้าที่ใช้เสื้อผ้ารองรับการสื่อสารระยะใกล้ เพื่อเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ไร้แบตเตอรี่หลายจุดทั่วร่างกาย

ความร่วมมือและแรงผลักดันเบื้องหลังโครงการ

รายงานเกี่ยวกับโครงการระบุว่า การพัฒนาเริ่มขึ้นในกลุ่มวิจัย Wireless Bioelectronics ของ NUS เมื่อปี 2021 โดยมีผู้ร่วมงานจากมหาวิทยาลัยแอริโซนาและมหาวิทยาลัยชิงหวา ผลงานดังกล่าวได้รับการรายงานในวารสารวิชาการ Nature Electronics ในฐานะเครือข่ายเซ็นเซอร์ผิวหนังไร้สายแบบไร้แบตเตอรี่สำหรับติดตามความดันโลหิตตัวบนอย่างต่อเนื่อง

โครงการนี้ยังมีแรงจูงใจจากประสบการณ์ส่วนตัวของทีมวิจัย เซลมาน เคิร์ต นักวิจัยคนหนึ่งเล่าว่า บิดาของเขามีภาวะความดันโลหิตสูงจาก “white-coat hypertension” หรือความดันที่สูงขึ้นเมื่ออยู่ในสถานพยาบาล และรู้สึกไม่สบายจากการติดเครื่องวัดความดันตลอด 24 ชั่วโมง เนื่องจากปลอกแขนพองลมระหว่างนอนหลับ ประสบการณ์ดังกล่าวสะท้อนความต้องการวิธีติดตามความดันตลอดวันและคืนที่รบกวนการใช้ชีวิตน้อยลง

สิ่งที่ต้องพัฒนาก่อนใช้งานจริง

ต้นแบบนี้ยังต้องปรับปรุงทั้งในด้านการแพทย์และการใช้งานในชีวิตประจำวัน

ต้องมีประสบการณ์ใช้งานแบบเรียลไทม์บนสมาร์ตโฟน

ระบบที่ตั้งใจพัฒนาต่อควรมีแอปที่แสดงค่าความดันบนสมาร์ตโฟนแบบเรียลไทม์ การแปลงสัญญาณจากเซ็นเซอร์ให้เป็นข้อมูลที่อ่านง่ายและเชื่อถือได้จะเป็นขั้นตอนสำคัญ หากเทคโนโลยีต้องการก้าวพ้นการสาธิตในห้องทดลอง

ผ้านำไฟฟ้าต้องทนการซักมากขึ้น

ปัจจุบันผ้าสามารถรองรับการซักได้ประมาณ 10 รอบ ก่อนความสามารถในการนำพลังงานและส่งข้อมูลจะเริ่มลดลง เสื้อผ้าที่ใช้ตรวจวัดสุขภาพจำเป็นต้องทนต่อการซักซ้ำและการใช้งานในชีวิตประจำวันได้ดีกว่านี้ จึงจะเหมาะกับการใช้งานเป็นกิจวัตร

ต้องทดสอบกับคนจำนวนมากและหลากหลายขึ้น

การทดลองกับผู้ใช้ 5 คนแสดงให้เห็นว่าสถาปัตยกรรมของระบบทำงานได้ แต่ยังไม่เพียงพอที่จะยืนยันประสิทธิภาพกับประชากรในวงกว้าง หรือพิสูจน์ว่าอุปกรณ์เหมาะสำหรับใช้วินิจฉัยโรค การศึกษาระยะต่อไปต้องเปรียบเทียบค่าประเมินกับวิธีอ้างอิงที่ยอมรับในผู้ใช้จำนวนมากขึ้น ระหว่างกิจกรรมและภาวะสุขภาพที่หลากหลาย นอกจากนี้ ยังต้องผ่านการตรวจสอบตามข้อกำกับดูแลก่อนนำไปใช้ในทางการแพทย์เชิงพาณิชย์

สรุป

จุดเด่นสำคัญของระบบ NUS อยู่ที่การออกแบบทั้งระบบ ไม่ใช่เพียงตัวแผ่นแปะ แต่เป็นการผสานเซ็นเซอร์ที่แนบกับผิวหนัง การจ่ายพลังงานแบบไร้แบตเตอรี่ผ่านเสื้อผ้า และการใช้สมาร์ตโฟนเก็บข้อมูลเข้าด้วยกัน แนวทางนี้อาจช่วยให้ติดตามรูปแบบความดันระหว่างนอนหลับ ตื่นนอน ออกกำลังกาย และทำกิจกรรมทั่วไปได้สะดวกขึ้น ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่การวัดด้วยปลอกแขนเป็นครั้งคราวอาจให้บริบทได้จำกัด

ในตอนนี้ ควรมองระบบดังกล่าวเป็นต้นแบบวิจัยที่น่าสนใจ ไม่ใช่อุปกรณ์ทดแทนเครื่องวัดความดันแบบปลอกแขนที่ผ่านการรับรอง อนาคตของเทคโนโลยีนี้ขึ้นอยู่กับการพิสูจน์ความแม่นยำในกลุ่มผู้ใช้จำนวนมาก การเพิ่มความทนทานของผ้านำไฟฟ้า และการพัฒนาการแสดงผลแบบเรียลไทม์ที่เชื่อถือได้สำหรับการใช้งานจริง