Без батарейки й манжети: у NUS створили пластир для цілодобового відстеження тиску

Дослідники Національного університету Сінгапуру (NUS) розробили прототип безбатарейної мережі епідермальних сенсорів, яка дає змогу безперервно оцінювати систолічний артеріальний тиск під час сну, фізичних навантажень і звичайної активності. Замість батареї та складної електроніки в одному годиннику система використовує два тонкі сенсори, смартфон і струмопровідну тканину, вбудовану в одяг.

Втім, це поки що перспективна наукова розробка, а не готовий медичний монітор. У випробуванні взяли участь лише п’ятеро людей, тому для підтвердження точності та безпечності потрібні масштабніші дослідження.

Навіщо вимірювати тиск безперервно

Звичайний тонометр зазвичай вимірює тиск, коли людина сидить спокійно й не рухається. Такі показники важливі, але вони відображають лише окремі моменти та можуть не показати, як тиск змінюється протягом доби.

Сон і пробудження можуть змінити картину

Під час глибокого сну або одразу після пробудження тиск часто не вимірюють. Через це можна пропустити нічні зміни чи різкий підйом після пробудження. Проєкт NUS має на меті відстежувати такі коливання в реальних умовах, а не покладатися лише на поодинокі вимірювання у стані спокою.

Фізичні навантаження показують реакцію серцево-судинної системи

Під час тренування систолічний тиск може швидко змінюватися. Вимірювання в русі потенційно допоможуть дослідникам і лікарям вивчати надмірно високі або низькі реакції, яких не видно під час звичайного вимірювання манжетою. Команда повідомила про тестування системи під час поїздок, сну та фізичних вправ, зокрема інтенсивних.

Манжета й наручні пристрої мають різні недоліки

Тонометри з манжетою на плечі залишаються звичним орієнтиром для вимірювання тиску. Проте накачування манжети може переривати сон, а під час процедури людина повинна залишатися нерухомою. Наручні пристрої зручніші для постійного носіння, але їх потрібно заряджати, а безманжетні оцінки тиску ще мають проходити ретельну перевірку порівняно з визнаними методами.

Прототип NUS покликаний розв’язати обидві проблеми: він має залишатися на шкірі під час звичайних рухів, а на кожному сенсорі немає власної батареї. Однак зручність використання ще не означає клінічну готовність.

Як сенсори на грудях і зап’ясті оцінюють тиск

Система не вимірює тиск безпосередньо, накачуючи манжету навколо руки. Натомість вона поєднує два пов’язані між собою сигнали:

1. Грудний сенсор фіксує електричну активність серця. Сухі платинові електроди виявляють електричну подію, пов’язану зі скороченням серця та виштовхуванням крові.
2. Сенсор на зап’ясті виявляє пульс. Оптичний датчик вимірює пульсуючі зміни об’єму крові біля зап’ястя.
3. Система визначає затримку між цими подіями. Цей інтервал називають часом проходження пульсової хвилі — періодом, за який хвиля, пов’язана з пульсом, проходить від серця до зап’ястя.
4. За цим часом оцінюється систолічний тиск. Загалом довший час проходження відповідає нижчому тиску, тож пристрій може відстежувати зміни показника, але не вимірює його так само безпосередньо, як манжетний тонометр.

Тому коректніше називати цей пристрій безманжетним оцінювачем артеріального тиску. Його результат залежить від сигналів сенсорів, точності синхронізації та калібрування. Надійність системи потрібно перевіряти на різних людях і в різних умовах, порівнюючи показники з усталеними методами.

Як одяг передає енергію та дані

У прототипі звичайна сорочка з довгими рукавами стає частиною носійної сенсорної мережі. Струмопровідна доріжка з мідно-нікелевої тканини з’єднує місця розташування сенсорів, а смартфон користувач носить на верхній частині руки.

Архітектура використовує два бездротові канали, кожен для окремого завдання:

• Передавання енергії через NFC на частоті 13,56 МГц. Котушка смартфона створює магнітне поле, а котушка сенсора перетворює енергію ближнього поля на електричний струм.
• Передавання даних через Bluetooth на частоті 2,4 ГГц. Отримавши живлення, сенсори надсилають фізіологічні вимірювання на смартфон.

Тканина розділяє канал живлення ближнього поля та канал передавання даних Bluetooth. Фактично смартфон працює як центральний вузол: він живить розподілені сенсори й отримує їхні дані без батарей на шкірі.

Ідея спирається на попередні дослідження одягу, здатного через ближнє поле поєднувати безбатарейні сенсори, розташовані в різних місцях тіла.

Хто розробляє систему і що стало поштовхом

За даними повідомлень про проєкт, розробка почалася 2021 року в Групі бездротової біоелектроніки NUS. До роботи долучилися фахівці Університету Аризони та Університету Цінхуа. Результати опублікували в журналі Nature Electronics як дослідження безбатарейної бездротової епідермальної мережі для безперервного моніторингу систолічного тиску.

Проєкт мав і особисту мотивацію. Батько дослідника Селмана Курта мав так звану «гіпертензію білого халата» — підвищені показники в медичному середовищі. Цілодобове вимірювання манжетою також було для нього некомфортним, оскільки пристрій накачувався під час сну. Цей досвід підкреслив потребу в менш нав’язливому способі спостерігати за тиском протягом дня і ночі.

Що ще потрібно вдосконалити

Перед комерціалізацією прототипу необхідно розв’язати як практичні, так і клінічні завдання.

Застосунок із показниками в реальному часі

Запланована система має містити застосунок, який показуватиме оцінки тиску на смартфоні в реальному часі. Перетворення сигналів сенсорів на зрозумілий і стабільний для користувача досвід стане важливим кроком від лабораторної демонстрації до повсякденного застосування.

Міцніша струмопровідна тканина

Наразі тканина витримує приблизно 10 циклів прання, після чого її здатність передавати енергію та дані починає погіршуватися. Щоб одяг із вбудованими сенсорами став практичним для регулярного використання, він має надійніше витримувати багаторазове прання та щоденне носіння.

Масштабніша перевірка

Випробування за участю п’яти людей може продемонструвати працездатність архітектури, але не дає змоги оцінити її ефективність для широкої популяції чи підтвердити придатність для діагностики. Потрібні дослідження з більшою кількістю учасників, порівняння з визнаними методами вимірювання тиску, а також тестування під час різних видів активності та за різних станів здоров’я. Перед клінічним комерційним використанням знадобиться і регуляторна оцінка.

Висновок

Головна інновація системи NUS — не просто шкірний пластир, а її архітектура: сенсори, що прилягають до шкіри, бездротове живлення через одяг і збирання даних смартфоном. Такий підхід може спростити спостереження за тиском під час сну, пробудження, фізичних вправ і звичайних справ — у моменти, коли періодичні вимірювання манжетою дають лише обмежену картину.

Поки що систему варто сприймати як перспективний дослідницький прототип, а не як заміну перевіреному тонометру на плечі. Її майбутнє залежатиме від підтвердження точності на великій кількості учасників, підвищення довговічності тканини та створення надійних показників у реальному часі.