מכשירים לבישים מותאמים אישית המנטרים את בריאותם של אנשים נמצאים במגמת עלייה. משעונים ועד מדבקות וסוגים אחרים של חיישנים, מכשירים חכמים אלה יכולים לנטר את פעילות הלב, רמות הדלקת ועוד כדי לעזור לחולים לנהל טוב יותר את בריאותם מהבתים שלהם. כעת, ניתן להוסיף לרשימה סוג חדש של מכשיר לביש: מסכת נייר היי-טק המנטרת את הנשימה.
Wei Gao של Caltech, פרופסור להנדסה רפואית, ועמיתיו פיתחו אב טיפוס למסכה חכמה שניתן להשתמש בה כדי לנטר מגוון מצבים רפואיים, כולל מחלות בדרכי הנשימה, כגון אסטמה, COPD (מחלת ריאות חסימתית כרונית) ופוסט – זיהומים ב-COVID-19. בניגוד למסכות חכמות אחרות שמפותחות המנטרות שינויים פיזיים כמו הטמפרטורה, הלחות או קצב הנשימה, זו, הנקראת EBCare, יכולה לנתח את הכימיקלים בנשימה של האדם בזמן אמת. ("EBC" הוא ראשי תיבות המשמשים בתחום זה שפירושם "עיבוי נשימה נשיפה"). לדוגמה, המסכה יכולה לעקוב אחר חולי אסטמה בחיפוש אחר רמות ניטריט, כימיקל המצביע על דלקת בדרכי הנשימה.
"ניטור הנשימה של מטופל הוא דבר שנעשה באופן שגרתי, למשל, כדי להעריך אסטמה ומצבי נשימה אחרים. עם זאת, זה הצריך את המטופל לבקר במרפאה לאיסוף דגימות, ולאחר מכן תקופת המתנה לתוצאות המעבדה", אומר גאו. , החוקר הראשי של מחקר חדש המתאר את המסכה בכתב העת מַדָע. "מאז COVID-19, אנשים לובשים יותר מסכות. אנחנו יכולים למנף את השימוש המוגבר הזה במסכה לניטור מותאם אישית מרחוק כדי לקבל משוב בזמן אמת על הבריאות שלנו בבית או במשרד שלנו. למשל, נוכל להשתמש במידע הזה כדי להעריך כיצד ובכן, ייתכן שטיפול רפואי יצליח."
גאו, שהוא גם חוקר מכון מחקר רפואי מורשת וחוקרת רונלד וג'ואן ווילנס, כבר פיתח מגוון של חיישנים ביו לבישים המנתחים זיעה אנושית כדי למדוד מטבוליטים, חומרים מזינים, הורמונים ורמות חלבון. במקרה הזה, המטרה של גאו הייתה לעקוב אחר הנשימה, שהגיעה עם סט חדש של אתגרים.
כדי לנתח באופן סלקטיבי את הכימיקלים או המולקולות בנשימה של מישהו, תחילה צריך לקרר אותם ולעבות אותם לנוזל. במסגרות קליניות, שלב הקירור הזה נעשה בנפרד מהניתוח. דגימות נשימה לחות צוננות על דליי קרח או מקררים מגושמים. המסכה החדשה של גאו, לעומת זאת, היא קירור עצמי. הנשימה מקוררת על ידי מערכת קירור פסיבית המשלבת קירור אידוי הידרוג'ל עם קירור קרינתי כדי לצנן ביעילות את הנשימה על מסכות פנים.
המסכה מייצגת פרדיגמה חדשה לניהול מחלות נשימה ומטבוליות ורפואה מדויקת מכיוון שאנו יכולים בקלות לקבל דגימות נשימה ולנתח את המולקולות הכימיות בנשימה בזמן אמת באמצעות מסכות יומיות. עיבוי הנשימה מכיל גזים מסיסים וגם חומרים לא נדיפים בצורת אירוסולים או טיפות, כמו חומרים מטבוליים, אינדיקטורים דלקתיים ופתוגנים".
Wenzheng Heng, המחבר הראשי של המחקר וסטודנט לתואר שני ב-Caltech
לאחר שהנשימה הומרה לנוזל, סדרה של נימים, השייכים לסוג של מכשירים המכונה מיקרו-נוזלים בעלי השראה ביולוגית, מעבירה מיד את הנוזל לחיישנים לצורך ניתוח. "למדנו מצמחים איך להעביר את המים", אומר גאו. "צמחים משתמשים בכוחות נימיים כדי לשאוב מים כלפי מעלה מהאדמה."
תוצאות הניתוח מועברות באופן אלחוטי לטלפון אישי, טאבלט או מחשב. "ניתן להכין את המסכה החכמה בעלות נמוכה יחסית", אומר גאו. "זה מתוכנן לעלות רק כ-$1 בחומרים."
כדי לבדוק את המסכות, הצוות ביצע מערך מחקרים בבני אדם, שהתמקדו בעיקר בחולים עם אסתמה או COPD. הם עקבו באופן ספציפי אחר נשימת החולים עבור ניטריט, סמן ביולוגי לדלקת בשני המצבים. התוצאות הראו שהמסכות זיהו במדויק את הסמן הביולוגי, מה שמצביע על דלקת בדרכי הנשימה של החולים.
במחקר אחר, הצוות הוכיח שהמסכות זיהו במדויק את רמות האלכוהול בדם אצל נבדקים, מה שמרמז שניתן להשתמש במסכות לבדיקות שתייה ונהיגה באתר או צורות אחרות של ניטור צריכת אלכוהול.
הם גם בדקו כיצד ניתן להשתמש במסכות כדי להעריך את רמות האוריאה בדם בניטור וניהול מחלת כליות. כאשר תפקוד הכליות יורד, תוצרי לוואי של חילוף החומרים של חלבון כמו אוריאה מצטברים בדם. במקביל, אוריאה עולה ברוק, המתפרק לגז אמוניה, וזה מוביל לרמות אמוניום גבוהות יותר בעיבוי הנשימה. המחקר החדש הראה שהמסכות החכמות יכולות לזהות במדויק את רמות האמוניום הללו, תוך שיקוף מקרוב את רמות האוריאה בדם.
"המחקרים הראשונים האלה הם הוכחה לקונספט", אומר גאו. "אנחנו רוצים להרחיב את הטכנולוגיה הזו כדי לשלב סמנים שונים הקשורים למצבים בריאותיים שונים. זהו בסיס ליצירת מסכה שמתפקדת כפלטפורמה מגוונת לניטור בריאות כללית."
באשר לנוחות המסכות, המשתתפים דיווחו על חוויות חיוביות, גם כאלו עם בעיות נשימה.
"פלטפורמת המסכות החכמות לקציר וניתוח EBC מייצגת התקדמות גדולה בפוטנציאל לנטר את בריאות הריאות בזמן אמת", אומר מחבר שותף הארי רוסיטר, חוקר במכון לונדקוויסט לחדשנות ביו-רפואית ב-Harbor-UCLA ופרופסור לרפואה ב- בית הספר לרפואה של דיוויד גפן ב-UCLA. "התפיסה הזו, שעשויים להתווסף חיישנים ביולוגיים למגוון רחב של תרכובות בעתיד, מדגישה את הפוטנציאל של שינוי המשחקים של המסכה החכמה לניטור בריאות ואבחון".
המחקר שכותרתו "מסכה חכמה לאיסוף וניתוח עיבוי נשיפה" מומן על ידי המכון הלאומי לבריאות, הקרן הלאומית למדע, התוכנית לחקר מחלות הקשורות בטבק ופעילות רכישת המחקר הרפואי של צבא ארה"ב. מחברים אחרים של Caltech כוללים סטודנטים לתארים מתקדמים Shukun (קווין) יין, Canran Wang, Hong Han, Jiahong Li, ופוסט-דוקטורט Jihong Min, בנוסף ל-Ehsan Shirzaei Sani ו- Yu Song, לשעבר פוסט-דוקטורט ב-Caltech.
