Базовая технология обладает таким широким потенциалом, что однажды ее можно будет использовать для создания материалов, похожих на кожу, которые могут ощущать давление, что приведет к созданию протезов с электронным эквивалентом осязания.
Исследовательская группа из девяти человек под руководством профессора химической инженерии Чжэнан Бао подробно рассказала о двух медицинских применениях этой технологии в журнале Nature Communications.
В одной простой демонстрации они использовали этот беспроводной датчик давления, чтобы считывать пульс члена команды, не касаясь его.
В более сложном приложении они использовали это беспроводное устройство для контроля давления внутри черепа лабораторной мыши — достижение, которое однажды может привести к созданию более эффективных способов лечения травм головного мозга человека.
Беспроводной датчик Бао состоит из тонкого слоя специально разработанной резины между двумя полосками меди. Медные полоски действуют как радиоантенны.
Резина служит изолятором.
Технология включает излучение радиоволн через этот простой сэндвич из антенны и резины.
Когда устройство находится под давлением, медные антенны сжимают резиновый изолятор и перемещаются бесконечно ближе друг к другу.
Это крошечное изменение в близости изменяет электрические характеристики устройства.
Радиоволны, проходящие через две антенны, замедляются с точки зрения частоты. Когда давление ослаблено, медные антенны раздвигаются, и частота радиоволн увеличивается.
Инженеры доказали, что этот эффект можно измерить, что дало им возможность измерить давление, оказываемое на устройство, путем отслеживания частоты радиоволн, проходящих через устройство.
Бывшие аспиранты Стэнфордского университета Лиза Чен и Бенджамин Си-Ки Ти разработали и смоделировали физику устройства, а также откалибровали датчик давления в простых лабораторных испытаниях.
Алекс Чортос, аспирант кафедры материаловедения и инженерии, сделал беспроводное устройство более надежным и пригодным для повторного использования.
Когда инженеры искали сотрудников для тестирования устройства в потенциально полезных приложениях, H.-S. Филип Вонг, профессор электротехники, связал их с Виктором Це, нейрохирургом и доцентом-консультантом Стэнфордской школы медицины.
Це протестировал беспроводной датчик давления как инструмент для лечения пациентов с тяжелой черепно-мозговой травмой. Самая серьезная проблема в таких случаях — отек мозга.
В настоящее время врачи диагностируют отек мозга с помощью методов визуализации, таких как компьютерная томография, или путем непосредственного мониторинга внутричерепного давления (ВЧД).
Мониторинг ВЧД традиционно выполняется с помощью датчиков, проникающих в череп и связанных с внешним монитором через кабель.
Помимо возможности выдергивания или отсоединения кабеля, это громоздкое решение сопряжено с риском заражения. Измерение ВЧД с помощью кабелей становится особенно сложной задачей, когда пациентов перемещают в пределах больницы или перевозят в другие учреждения.
В экспериментах на лабораторных мышах Цзе использовал радиоволны для исследования беспроводного датчика Бао, что позволило ему непрерывно отслеживать изменения внутричерепного давления.
«Наша команда сейчас думает, как включить это устройство в катетер, который мог бы откачивать спинномозговую жидкость при повышении ВЧД», — сказал Цзе. Его команда думает о несколько ином подходе к переоснащению беспроводного датчика, чтобы его можно было поместить в глазницу. Там его можно было использовать для измерения давления в глазнице, относительно простой суррогат для отслеживания внутричерепного давления на мозг.
В отдельной работе Dr. Майкл МакКоннелл, профессор сердечно-сосудистой медицины, использовал устройство для считывания беспроводного пульса в качестве доказательства принципа того, что технология может быть применена к давлениям, связанным с кровообращением.
Для Бао это последний из серии экспериментов, в которых используется простой, но далеко идущий прогресс, достигнутый ее лабораторией несколько лет назад. Этот прогресс связан с конструкцией резинового слоя, используемого в этом устройстве.
Как объяснил Бао, резина особенная, потому что ее основная молекулярная структура может сжиматься и возвращаться в форму. Другие материалы просто не имеют этой пружинной функции. Каким бы простым это ни казалось, ее лаборатория обнаружила, что создание слоя резины в форме пирамиды вместо плоского мата дает отдельным молекулам резины больше свободы для выравнивания, а затем возвращения в форму.
Поместив этот слой резины в форме пирамиды между медными антеннами, эта команда инженеров смогла использовать тонкое взаимодействие радиоволн и электронных облаков для создания манометра.
Бао предвидит множество потенциальных применений этой технологии измерения давления.
«Устройство, которое мы здесь изобрели, чрезвычайно просто в изготовлении и не потребляет энергии до тех пор, пока не будут сняты показания», — сказала она. "В ближайшее время мы надеемся использовать подобные устройства для отслеживания посылок и контроля состояния здоровья. В долгосрочной перспективе мы мечтаем использовать эту технологию для создания сенсорной подкладки для протезов."