Считали ли вы, сколько раз за день сталкиваетесь с различными приборами и механизмами? Убегающий будильник, электрические зубная щетка и чайник, «умные» часы... Технологии заполонили нашу жизнь. Было бы удивительно, если бы эти нововведения не проникли и в более интимные сферы, а именно — не помогали бы нам следить за своим здоровьем.

Чтобы быть счастливым пользователем новых медицинских технологий, вовсе не обязательно становиться киборгом с вживленными механическими устройствами (вроде in vivo биосенсоров [1]). Одна из самых модных тенденций — это неинвазивные носимые технологии, или wearables. Открыв интернет-магазин или соответствующий научный журнал, можно найти широчайший спектр устройств: шагомер, трекер сна, счетчик калорий или пульса... У каждого добропорядочного приверженца ЗОЖ есть фитнес-трекер, который помогает отслеживать все эти параметры жизнедеятельности (а вот помогают ли подобные ухищрения стать здоровее, «Биомолекула» поведает чуть позже). Кроме того, компании выпускают уменьшенные версии громоздких приборов, использование которых традиционно ограничивалось больничными стенами. И всё же поле применения новых девайсов гораздо шире: возможно, скоро ими будут пользоваться все — от младенцев до долгожителей.

Врачи тоже учатся не брезговать новыми технологиями, ведь отслеживать состояние пациентов на расстоянии очень удобно. Распространению этого во многом способствуют технические разработки, позволяющие сделать прибор меньше, удобнее и дешевле [2], [3]. Какие же приборы прокладывают путь будущему здравоохранения сегодня и как меняется привычная система оказания медицинской помощи?

Различить и отследить: приборы для диагностики

Фокус компаний, разрабатывающих медицинские приборы, сместился с больницы на самого пациента [4]. Раньше врач чаще встречался с пациентом на своем рабочем месте в экстренной ситуации. Сейчас же всё большее внимание уделяется хроническим болезням и расчету риска развития заболеваний [5]. Именно новые технологии позволяют следить за состоянием потенциального или «действующего» больного в режиме реального времени. Кроме того, с развитием компьютерных технологий и совершенствованием программ, которые могут быстро обсчитывать большие массивы данных, носимые девайсы могли бы изменить всю систему здравоохранения и помочь научным исследованиям. Ведь теоретически это позволяет получить огромное количество информации о целой популяции — без присутствия врача или исследователя! Кроме того, это значительно бы снизило затраты на здравоохранение.

Шизофрения vs. биполярное расстройство

Неудивительно, что особое место в развитии носимых технологий занимают приборы для медицинской диагностики и мониторинга пациентов. Такие девайсы могут сделать, казалось бы, невероятные вещи: например, различить пациентов с шизофренией и биполярным расстройством по характеру движений. Эти состояния часто неверно диагностируют: многие биологические характеристики и симптомы болезней пересекаются, и надежных методов их различения нет. Некоторые и вовсе полагают, что шизофрения и биполярное расстройство — это противоположные концы одного континуума [6]. Однако терапия заболеваний отнюдь не одинакова, и поэтому врачу важно поставить верный диагноз.

Как выяснили ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США), в новой обстановке больные шизофренией и биполярным расстройством ведут себя по-разному. Компьютеризированный жилет LifeShirt, отслеживающий гиперактивные и повторяющиеся движения и некоторые физиологические показатели, помогает это определить.

Линзы на страже глаукомы

Носимые технологии могут укладываться в крайне малый объем и при этом давать высочайший выход по эффективности. К примеру, «умная» силиконовая линза Sensimed Triggerfish помогает предсказать скорость развития глаукомы у пациентов с начальными стадиями заболевания. Сейчас, чтобы оценить прогрессирование болезни, нужно часто посещать врача. Встроенный датчик нового девайса следит за внутриглазным давлением в течение 24 часов, реагируя на изменения кривизны линзы. При обнаружении таких изменений сигнал передается на беспроводную антенну вокруг глаза, а антенна в свою очередь пересылает информацию на портативное записывающее устройство, находящееся у пациента. После завершения записывающего периода данные по Bluetooth передаются в компьютер врача (рис. 1).

Чтобы оценить эффективность работы Sensimed Triggerfish, исследователи два года следили за внутриглазным давлением 40 пациентов. Как оказалось, выраженность изменений кривизны линзы ночью и их частота (специальная программа всё представляет в виде графиков с характерными пиками) коррелируют с прогрессированием заболевания. Таким образом, получая надежную информацию с помощью линзы, а не посещений врача, можно оценивать, как ведет себя болезнь. «Умная» линза уже одобрена для использования в Великобритании, Швейцарии, Италии, Австрии и других европейских странах.

Такие разные электроды

Если говорить о приборах — «любимчиках» разработчиков, то это, пожалуй, носимые девайсы с электрофизиологическими сенсорами. С их помощью можно получить электрокардиограмму, электромиограмму и электроэнцефалограмму.

Приборы с такими детекторами используют для самых разных целей, даже развлекательных: например, разработчики MobilECG создали забавную визитную карточку, визуализирующую ЭКГ того, кто ее держит в руках (см. видео). Но ЭКГ можно использовать и для самой серьезной диагностики: например, предсказания падений — главной причины травм у пожилых людей [7]. Как было показано, кратковременные эпизоды нарушения равновесия, головокружений, слабости и т.п., приводящие к падению, часто свидетельствуют о сердечно-сосудистых заболеваниях, в частности ортостатической гипотензии и вегетативной дисфункции. Эти нарушения связаны с состоянием автономной нервной системы, работу которой как раз и можно оценить по вариабельности сердечного ритма, вычисляемой из ЭКГ.

Чтобы улучшить регистрируемый сигнал при снятии электрофизиологических параметров, в поликлиниках обычно используют специальный электролитический гель. Его наносят на область контакта кожи с детектором электрической активности, и из-за этого стандартные электроды окрестили «мокрыми». Однако гель постепенно высыхает, поэтому регистрация сигнала ухудшается.

Модернизация этого процесса необходима, например, для улучшения работы интерфейсов «мозг-компьютер» (brain—computer interface, BCI) [8]. Такие системы передают команды от человека компьютеру или другому электронному устройству и обратно. Основное практическое применение этих разработок — это компьютерные программы и протезы, которыми можно управлять «силой мысли» (см. видео). Благодаря новым гребнеобразным электродам, для которых не нужен гель, использовать такую технологию станет гораздо удобнее и легче [9].

Исследователи из Университета штата Северная Каролина решили эту же проблему другим способом: разработав «сухие» электроды с серебряной нанопроволокой. «Наши новые электроды предоставляют лучшее качество сигнала, чем большинство — если не все — существующие сухие электроды», — говорит доктор Йон Чжу (Yong Zhu), старший автор статьи [10]. Прибор совместим со стандартными ЭКГ- и ЭМГ-считывающими устройствами и подходит для долгосрочного наблюдения за пациентами.

Облагороженная старость

Разработки по новым носимым технологиям очень разные, и одна из целевых аудиторий разработчиков — пожилые люди. Это нельзя назвать неожиданностью, ведь население нашей планеты неуклонно стареет [11].

В поле внимания разработчиков входит и реабилитация после инсульта [12], и слежение за психическим состоянием [13], и помощь людям с ослабленным зрением [14]. Но некоторые болезни равнее среди равных — например, болезнь Паркинсона. Этот нейродегенеративный бич стареющей популяции планеты затрагивает до десяти миллионов человек во всем мире, а лечения всё еще нет. Однако раннее обнаружение и своевременное назначение поддерживающих лекарств может замедлить прогрессирование заболевания.

Для диагностики болезни Паркинсона часто используют тест на удержание равновесия (pull test), оценивающий постуральную нестабильность пациента [15]. В этом тесте пациента оттягивают за плечи назад и затем оценивают то, как он сохраняет равновесие. Чтобы сделать этот тест объективнее и качественнее, ученые придумали новый девайс: сенсоры крепятся к обуви и позволяют точно отследить нарушения движений больного. Датчиками в девайсе на каждом башмаке служат трехосевые линейный акселерометр и гироскоп. При тестировании больные выполняют ряд двигательных тестов, а затем на основании информации с датчиков им ставят диагноз.

Для доставки лекарств пациентам с болезнью Паркинсона тоже можно использовать не стандартные методы, а «умную кожу». Обычно принимать лекарство при этом заболевании нужно каждые несколько часов, иначе вновь появляется дрожание конечностей. Новый накожный пластырь опознает, когда тремор начинает возвращаться, и высвобождает маленькую дозу лекарства, запасенную в наночастицах нижнего слоя пластыря. Таким образом, главное отличие нового пластыря от прочих (например, никотиновых) — это то, что лекарственный препарат попадает в организм только тогда, когда нужно. К сожалению, встроенной батарейки для прибора еще не изобрели, поэтому приходится довольствоваться внешним источником питания. Специальный температурный сенсор предохраняет «умную кожу» от перегрева и, следовательно, кожу человека от ожогов.

Для тех, у кого болезнь уже на поздней стадии и тремор рук значительно ухудшает качество жизни, придумали специальную перчатку GyroGlove (рис. 2). Как говорит Фаи Он (Faii Ong), 26-летний основатель GyroGear, она уменьшает непроизвольные движения на 90%, используя для стабилизации физические законы. Хотя уже существуют столовые приборы и посуда для людей с такими проблемами, они помогают решить только вопрос питания. GyroGlove же, механически уменьшая тремор, предоставляет универсальное решение. Стоит только надеть такую перчатку — и можно вновь самостоятельно совершать базовые движения без боязни что-то уронить или пролить. Помимо самой компании, финансово поддерживают проект по разработке перчатки для паркинсоников Имперский колледж Лондона (Imperial College London) и Национальная служба здравоохранения Великобритании.

О чем расскажут ваши тату

Когда-нибудь задумывались о том, чтобы набить татуировку, или, может, у вас уже есть парочка? Если нет, то наверняка наклеивали в детстве переводные тату или хотя бы видели новую моду — наклеивать на кожу недолговечные золотистые узоры «flash tatoo». Носимые технологии тоже не отстают от новых веяний. Сейчас появился целый класс тончайших, стильных и полезных приборов, которые наклеиваются на кожу и выглядят как пластырь или татуировка. Они могут следить, к примеру, за состоянием сердечно-сосудистой системы по сердечному ритму или по потоку крови на участке кожи, на который они наклеены [16].

Специально для мам ученые разработали цифровой аналог Мэри Поппинс — красочный клейкий термометр Fever Scout, который не только круглосуточно измеряет температуру тела ребенка, но и передает эту информацию в режиме реального времени на смартфон по Bluetooth (рис. 3). Девайс может даже посылать уведомления, если температура у малыша повысилась слишком сильно. Все данные о колебаниях температуры сохраняются в мобильном приложении, что позволяет маме следить за действием лекарств — ну, или выявлять ситуации, когда ребенок не хочет идти в школу и набивает себе температуру, засунув градусник в горячий чай.

Более того, появились новые девайсы, созданные специально для диабетиков. Буквально на днях ВОЗ практически объявила войну этой болезни, ведь уже каждый 12-й житель нашей планеты — диабетик. У пациентов с этим заболеванием возникает множество неудобств с отслеживанием уровня глюкозы, поскольку традиционно для этого надо анализировать кровь из пальца. Теперь же прогресс дошел до того, что клейкий накожный пластырь определяет и даже регулирует уровень сахара в крови (рис. 4). Создание устройства стало возможным потому, что ученые обнаружили точную корреляцию между уровнями глюкозы крови и пота. Новый пластырь включает в себя датчики, регистрирующие концентрацию глюкозы в поту, и систему микроигл, которые впрыскивают лекарство метформин, если концентрация сахара высока. Если регистрация уровней глюкозы с помощью пластыря была уже проверена на двух здоровых людях, то доставка метформина пока что протестирована только на мышиной модели. После ряда усовершенствований и более масштабных исследований на людях разработчики собираются сделать свою технологию широко доступной.

Конкуренцию кожному пластырю может составить разработка Google — контактная линза с сенсором, измеряющим концентрацию глюкозы в слезной жидкости (рис. 5). Ее малюсенький беспроводной чип и миниатюрный датчик встроены между двумя слоями мягкого материала обычных контактных линз. Снятие показаний происходит с частотой раз в секунду. Как сообщают разработчики, эти сенсоры настолько крошечные, что выглядят как блестки, а встроенная антенна тоньше человеческого волоса. Более того, предполагается вставить в конструкцию еще и миниатюрные светодиодные лампочки, которые будут загораться, когда концентрация глюкозы достигнет определенного значения. Лаборатория Google вместе со своим партнером — фармацевтической компанией Novartis — объявила о начале процесса лицензирования технологии в 2014 году.

Революция сегодня

Пристальный взгляд разработчиков новых технологий устремлен отнюдь не только на пациентов или людей, которые, вероятно, скоро ими станут. Потенциальные пользователи обитают и по другую сторону «баррикад» — и это сами врачи. В их профессиональной среде носимые девайсы уже отвоевывают себе пространство.

Революцию в обучении молодых врачей может произвести Google Glass (рис. 6). Вместо обычных очков пользователи этого прибора получают целый набор функций: голосовое управление, встроенные микрофон и фотокамера, просмотр сообщений, текстов и картинок, запись аудио и видео, синхронизация данных со смартфоном и многое другое. Этот носимый девайс был выпущен в 2013 году, но сейчас открытого доступа к нему нет.

В медицинской практике Google Glass найдется множество применений [17]. Студент сможет побывать в шкуре практикующего врача и увидеть общение с пациентом шаг за шагом вживую. Кроме того, молодые врачи ощутят себя самостоятельными в выполнении простых действий, в то время как со стороны их будут контролировать опытные наставники.

Наконец, можно наблюдать за операцией в режиме реального времени — и не со стороны, а как будто «от первого лица». В 2014 году Шафи Ахмед (Shafi Ahmed), хирург из Королевского госпиталя Лондона (The Royal London Hospital), на глазах у 13 тысяч медицинских студентов удалил опухоли из печени и кишечника пациента в прямом эфире, транслируя видео в интернет с помощью Google Glass. Во время операции учащиеся также задавали вопросы, которые отражались на девайсе врача. 90% студентов позже отметили, что хотели бы включить такой тип обучения в учебную программу [18]. Буквально на днях успех живой трансляции операции был повторен — теперь с использованием технологии виртуальной реальности с углом обзора в 360 градусов (см. видео).

Конечно, у первой модели Google Glass есть множество недостатков — от времени работы батареи до вопросов о защите личной информации. Возможно, новая разработка — «умная» линза от Samsung — справится с обучающей задачей даже лучше (хотя вопросов о конфиденциальности данных с ней возникает еще больше). Она оснащена камерой, антенной, несколькими датчиками и дисплеем, который проецирует изображение прямо в глаз. Для пользования линзой нужен смартфон.

To be continued...

Как видно из этого поверхностного обзора, крупнейшие мировые производители делают ставку на носимые технологии. Круг болезней, в диагностике и мониторинге которых начинают использовать такие девайсы, расширяется — от сердечно-сосудистых заболеваний до сложных неврологических расстройств. В отношении формы устройств можно выявить общие тенденции: например, популярны приборы в виде «умной кожи» или «умных» линз. И вид, и назначение будущих приборов еще не раз могут преподнести нам сюрпризы. Вдобавок, такие разработки помогают не только пациентам, но и врачам. Возможно, от инноваций в этой области даже здравоохранение на глобальном уровне выиграет с точки зрения распределения ресурсов и экономии бюджетных средств.

Нельзя обойти стороной еще две категории технических новшеств. Первая — это приборы, которые вживляются в человеческое тело и отнюдь не всегда видны глазу. Вторая — это ежедневные трекеры, выполняющие, казалось бы, элементарные функции: подсчет количества шагов, скорость движения, длительность сна и т.п., — однако из-за конкуренции производителей и головокружительного технического развития такие приборы очень многое умеют и знают о своем хозяине.

Кроме того, похожие разработки помогают спортсменам улучшить свою форму без допинга и мировых скандалов, а вдобавок и снизить травматичность своей профессиональной деятельности. Именно о таких типах носимых технологий пойдет речь в следующей статье.

Литература

1. Haddow G., King E., Kunkler I., McLaren D. (2015). Cyborgs in the everyday: masculinity and biosensing prostate cancer. Sci. Cult. 24, 484–506;
2. Kim J., Son D., Lee M., Song C., Song J.K., Koo J.H. et al. (2016). A wearable multiplexed silicon nonvolatile memory array using nanocrystal charge confinement. Sci. Adv. 2, e1501101;
3. Zaretski A.V., Root S.E., Savchenko A., Molokanova E., Printz A.D., Jibril L. et al. (2016). Metallic nanoislands on graphene as highly sensitive transducers of mechanical, biological, and optical signals. Nano Lett. 16, 1375–1380;
4. Amor J.D. and James C.J. (2015). Setting the scene: Mobile and wearable technology for managing healthcare and wellbeing. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2015, 7752–7755;
5. Kvedar J.C., Fogel A.L., Elenko E., Zohar D. (2016). Digital medicine’s march on chronic disease. Nat. Biotechnol. 34, 239–246;
6. Möller H.J. (2003). Bipolar disorder and schizophrenia: distinct illnesses or a continuum? J. Clin. Psychiatry. 64, 23–27;
7. Melillo P., Castaldo R., Sannino G., Orrico A., de Pietro G., Pecchia L. (2015). Wearable technology and ECG processing for fall risk assessment, prevention and detection. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2015, 7740–7743;
8. Киборги сегодня: нейрокомпьютерные технологии становятся неотъемлемой частью нашей жизни;
9. Lin B.S., Pan J.S., Chu T.Y., Lin B.S. (2016). Development of a wearable motor-imagery-based brain—computer interface. J. Med. Syst. 40, 71;
10. Myers A.C., Huang H., Zhu Y. (2015). Wearable silver nanowire dry electrodes for electrophysiological sensing. RSC Adv. 5, 11627–11632;
11. 7 000 000 000;
12. Chai-Ting H., Croft E.A., Machiel Van der Loos H.F. (2015). A wearable vibrotactile device for upper-limb bilateral motion training in stroke rehabilitation: A case study. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2015, 3480–3483;
13. Kvedar J.C., Fogel A.L., Elenko E., Zohar D. (2016). Digital medicine’s march on chronic disease. Nat. Biotechnol. 34, 239–246;
14. Pundlik S.J., Tomasi M., Luo G. (2015). Evaluation of a portable collision warning device for patients with peripheral vision loss in an obstacle course. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 56, 2571–2579;
15. Pasluosta C.F., Barth J., Gassner H., Klucken J., Eskofier B.M. (2015). Pull test estimation in Parkinson’s disease patients using wearable sensor technology. Conf. Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. 2015, 3109–3112;
16. Gao L., Zhang Y., Malyarchuk V., Jia L., Jang K.I., Webb R.C. et al. (2014). Epidermal photonic devices for quantitative imaging of temperature and thermal transport characteristics of the skin. Nat. Commun. 5, 4938;
17. Aungst T.D. and Lewis T.L. (2015). Potential uses of wearable technology in medicine: lessons learnt from Google Glass. Int. J. Clin. Pract. 69, 1179–1183;
18. Surgeon uses Google Glass during cancer operation. (2014). The Telegraph.