Крошечный инъецируемый датчик может обеспечить ненавязчивый долгосрочный контроль над алкоголем.

Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

Электроника
Шрифты

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали миниатюрный инъецируемый биосенсор с ультранизкой потребляемой мощностью, который можно использовать для непрерывного долгосрочного мониторинга алкоголя. Чип достаточно мал, чтобы имплантировать в тело только лишь под поверхностью кожи и питаться беспроводным способом с помощью переносимого устройства, такого как умные часы.

«Конечной целью этой работы является разработка рутинного, ненавязчивого устройства для контроля употребления алкоголя и наркотиков для пациентов в программах лечения злоупотреблением психоактивными веществами», - сказал Дрю Холл (Drew Hall), профессор электротехники в инженерной школе Калифорнийского университета в Сан-Диего, возглавлявший проект. Дрю Холл также связан с Центром беспроводных коммуникаций и Центром носимых датчиков, оба из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Его команда представила эту работу на конференции IEEE по пользовательским интегральным схемам (CICC) 10 апреля 2018 года в Сан-Диего.

Одной из проблем для пациентов в программах лечения является отсутствие удобных инструментов для рутинного мониторинга. Дыхательные аппараты, в настоящее время наиболее распространенный способ оценки уровня алкоголя в крови, являются неуклюжими устройствами, которые требуют инициации пациента и не настолько точны, отметил Холл. Анализ крови является наиболее точным методом, но его необходимо выполнять обученному специалисту. Датчики на основе татуировки, которые можно носить на коже, являются многообещающей новой альтернативой, но их можно легко удалить и использовать только одноразово.

Размер чипа для контроля алкоголя по сравнению с центом и иглой 16 калибра. Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

«Крошечный инъецируемый датчик, который можно вводить в клинике без хирургического вмешательства, может облегчить пациентам следовать предписанному расписанию мониторинга в течение продолжительных периодов времени», - сказал Холл.

Микросхема биосенсора имеет размер примерно один кубический миллиметр и может вводиться под кожу в внутритканевой жидкости - жидкости, которая окружает клетки организма. Он содержит датчик, который покрыт спиртовой оксидазой, ферментом, который избирательно взаимодействует со спиртом для получения побочного продукта, который может быть обнаружен электрохимически. Электрические сигналы передаются по беспроводному каналу на ближайшее носимое устройство, такое как смарт-часы, которое также питает микросхему биосенсора беспроводным способом. Два дополнительных датчика на чипе измеряют фоновые сигналы и уровни рН. Они уравновешивают друг друга, чтобы сделать чтение уровня алкоголя более точным.

Исследователи разработали чип, чтобы он потреблял как можно меньше энергии - всего 970 нановатт, что примерно в миллион раз меньше мощности, чем смартфон потребляет при совершении телефонного звонка. «Мы не хотим, чтобы чип имел существенное влияние на срок службы аккумулятора для переносного устройства. И поскольку мы внедряем это, мы не хотим, чтобы внутри тела было много тепла, или батарея, которая потенциально токсична", сказал Холл.

Чип по сравнению с толщиной цента. Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering

Одним из способов работы микросхемы с такой сверхнизкой мощностью является передача данных с помощью технологии, называемой обратным рассеянием. Это происходит, когда соседнее устройство, такое как смарт-часы, отправляет радиочастотные сигналы на микросхему, а чип отправляет данные, изменяя и отражая эти сигналы обратно на смарт-часы. Исследователи также разработали ультрамаломощные схемы считывания сенсоров для микросхемы и минимизировали время его измерения до трех секунд, что привело к меньшему потреблению энергии.

Исследователи протестировали чип в теле человека с помощью установки, которая имитировала среду для имплантации. Она включала в себя смеси этанола в разбавленной человеческой сыворотке под слоями кожи свиньи.

Для будущих исследований исследователи планируют протестировать чип на живых животных. Группа профессора Холла работает с CARI Therapeutics, стартапом, базирующимся в Институте инновационных технологий Qualcomm в Калифорнийском университете в Сан-Диего, и доктором Карлой Мариенфельд (Carla Marienfeld), психиатром в Калифорнийском университете Сан-Диего, которая специализируется на лечении лиц с нарушениями злоупотребления психоактивными веществами, для оптимизации чипа для мониторинга реабилитации следующего поколения.

Группа профессора Холла разрабатывает версии этого чипа, которые также могут контролировать другие молекулы и наркотики в организме.

«Это технология платформы доказательной концепции. Мы показали, что этот чип может работать для теста на алкоголь. Но мы представляем себе создание и других чипов, которые могут обнаруживать различные вещества, связанные с злоупотреблением пациентами, для долгосрочного персонализированного медицинского мониторинга», - сказал Холл.

Источник: techxplore.com