Нарушение кровоснабжения мозга – причина неврологических травм, которые только в США каждый год получают около 900 тысяч детей [1]. Такие повреждения головного мозга могут становиться причиной непоправимых дефектов развития нервной системы и смертей. Эти риски высоки, например, у недоношенных детей. Дети с черепно-мозговыми травмами или врождённым пороком сердца также могут пострадать от внезапного кровоизлияния в мозг или резкого снижения количества поступающей в него крови. Предугадать такие события невозможно, поэтому было бы круто следить за кровоснабжением мозга детей с подобными рисками постоянно, чтобы узнавать о нарушениях сразу.
Пока ребёнок находится в отделении больницы, кровоснабжение мозга и насыщенность крови кислородом при необходимости мониторят с помощью транскраниального УЗИ и МРТ. Если отслеживать показатели важно непрерывно, используют инфракрасный свет. Инфракрасные световые волны невидимы для человека, и наши ткани для них относительно прозрачны. Однако те из них, которые близки к видимому нами свету, хорошо поглощаются молекулами гемоглобина. Причём гемоглобин, нагруженный кислородом, и дезоксигемоглобин, уже отдавший кислород, поглощают разные волны из ближнего инфракрасного диапазона по-разному. Поэтому церебральная ближняя инфракрасная спектроскопия, отслеживая количество гемоглобина и соотношение его форм, регистрирует изменения активности кровотока и насыщенности кислородом крови относительно предыдущих значений [2]. Для этого приборы – источники света и регистраторы волн, прошедших через ткани – закрепляются на коже головы.
![Ход инфракрасных световых волн через мозг, его оболочки и периферические ткани [3, 4]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/1918821/pub_5fd093bb9d0fbc29ba776009_5fd0b5c3f8b0ca206d4e8efa/scale_1200)
Хоть технология и удобнее, чем МРТ, части системы жесткие, по-разному закрепляются на голове и должны быть соединены с анализаторами – в общем, это неудобно и ограничивает движения пациента, делая невозможным применение вне больницы.
![Варианты ближне-инфракрасных спектроскопов [3-5]](https://avatars.dzeninfra.ru/get-zen_doc/2377661/pub_5fd093bb9d0fbc29ba776009_5fd0b4e875e32831d81f8a34/scale_1200)
Даже беспроводные системы, разработанные для взрослых, не подходят для непрерывного мониторинга маленьких детей из-за чувствительности их кожи и сильной кривизны рельефа черепа, кости которого ещё не окрепли. В идеале приборы должны быть не жёсткими, гибкими, маленькими и, конечно, беспроводными, чтобы не мешать нормальной жизни. Как раз такими, как система, о которой мы расскажем сегодня!
Новый биосенсор, описание которого опубликовали 30 ноября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, в длину чуть больше трёх сантиметров – с половину мизинца – в ширину полтора сантиметра, и толщиной всего в 3 миллиметра – такая гибкая пластинка, покрытая силиконовым чехлом. На стороне, обращённой к коже ребёнка, находятся окошки для светодиодов и четырёх детекторов света. На приложенных к публикации снимках похожий на толстенький пластырь биосенсор скручивают и жёстко сгибают – настолько он гибкий.
Внутри силиконовой оболочки скрыта электронная начинка, от которой через окошки на внешней стороне оболочки выходят два магнита. Магниты удерживают батарейку, от которой питается биосенсор, что позволяет легко менять аккумулятор. Размер и форма батареи исключают риск удушья ребёнка младше трёх лет, способного неосознанно взять её в рот.
На коже ребёнка биосенсор удерживается с помощью безопасного силиконового клея медицинского класса. Сенсор можно размещать почти в любом месте на голове, где нет густых волос. Данные передаются на планшет или смартфон через Bluetooth, гаджет обрабатывает, хранит и, конечно, визуализирует данные мониторинга.
Новый биосенсор отслеживает кровоток в тканях, залегающих на разной глубине, за счёт того, что детекторы световых волн расположены на разном расстоянии от их источника. В основном свет, поступающий в датчики в 5 и 10 миллиметрах от источника, проходит через череп и кожу. В датчики на расстоянии 15 и 20 миллиметров от светодиодов поступают волны, проникшие через серое и белое вещество головного мозга. Это позволяет оценивать изменения кровоснабжения мозга с поправкой на периферические ткани и регуляцию распределения крови между мозгом и иными тканями – поэтому биосенсор нужен в том числе для безопасности младенцев, имеющих нарушения этой регуляции.
К слову, исследователи проверили и то, влияет ли цвет кожи маленьких пациентов на корректность данных. Конечно, обнаружилось что нет: ведь меланин сильно поглощает куда более короткие волны.
Вообще, разработчики обратили своё внимание на многие мелочи и тонкости. Всё продумано вплоть до прокладок между светодиодами и кожей, чтобы снизить отражение и прочие факторы, которые могут искажать результаты. Нижняя часть силиконовой оболочки чёрная: это нужно, чтобы исключить проникновение света извне.
Биосенсор доказал свою точность по сравнению с уже известными приборами. В испытаниях приняли участие десятки детей.Исследователи не обнаружили в системе уязвимостей, которые могли бы привести к ошибочным выводам.
Однако, у технологии есть и свои недостатки. Так, в зависимости от ёмкости батареи время работы на одном аккумуляторе составляет от 1 до 14 часов, это вынуждает пользователей менять батарею минимум два раза в день. Хочется призвать исследователей поберечь окружающую среду. Да и менять батарейку минимум два раза в день – довольно утомительно. Надеемся, что в будущем разработчикам удастся продлить время работы батареи или сделать перезаряжаемый аккумулятор. Кроме того, нет информации о том, что будет, если светодиоды сломаются (их всего два, с двумя разными длинами инфракрасных волн). Даже если яркость совсем немного изменится, это может сильно исказить данные о здоровье пациента. Хотелось бы, чтобы поломки можно было во время отслеживать: чтобы они как-то регистрировались самой системой, и на гаджет поступало сообщение о них.
Еще одна причина для беспокойства исследователей – выделение пота. Теоретически, пот может исказить ход инфракрасных волн из-за отслоения элементов биосенсора от кожи. Однако пока что в ходе предварительных проверок на своей скромной выборке они с такой проблемой не столкнулись.
На этом критика заканчивается, потому что греет душу потенциальная стоимость нового биосенсора – меньше 25 долларов США! Такая низкая цена обеспечит его доступность для людей в странах со средним и низким уровнями доходов. Никакие особые батарейки для него не нужны, только общедоступные варианты. К тому же из полученных данных можно извлекать информацию не только о насыщенности крови кислородом, но и о пульсе, тонусе сосудов. Это позволит получать и сведения о системном здоровье маленького пациента. Так что биосенсор можно использовать и во время хирургических вмешательств, затрагивающих сердце или дыхательную систему, для контроля за кровоснабжением мозга, и в целом для отслеживания работы сердца и сосудов.
Новый биосенсор поможет улучшить здоровье миллионов маленьких людей по всей Земле, причём не обязательно в больничной палате – любой родитель может использовать его самостоятельно. Но на этом можно не останавливаться. Конечно, биосенсор создавали на основе трёхмерных данных о строении детских голов. Однако ничто не мешает приспособить систему под анатомию взрослого черепа и, например, использовать для диагностики нейродегенеративных заболеваний и мониторинга их прогрессирования. Осталось только слегка изменить размеры.
На наш взгляд, эта разработка – замечательный пример того, как новое исполнение уже известных технологий может существенно повысить качество жизни. Несмотря на то, что биосенсор спроектирован крайне талантливо, он работает по давно известным принципам и сама система инноваций в себе не содержит. И тем не менее, это важное изобретение, про которое хочется рассказывать. Ведь без этого качественного исполнения уже существующие технологии для многих неудобны или недоступны и поэтому бесполезны. Сегодня приборы, созданные для людей, должны позволять человеку вести комфортный для него образ жизни и оставаться доступными. Поэтому эргономичность нового биосенсора – главное его преимущество по сравнению с предыдущими разработками подобного рода.
Список источников в закреплённом комментарии
Александр Хазанов
(Ред. Наталия Каланова)