ساعتی مچی را تصور کنید که بتواند بدون استفاده از سوزن، شیمی پوست و خون شما را بخواند. کوچک، مقرون‌به‌صرفه و با دقتی نزدیک به آزمایشگاه. این همان وعده‌ای است که پشت حسگر طیف‌سنج نوری جدید پژوهشگران دانشگاه کمبریج قرار دارد.
تراشه‌ای کوچک با دقتی بزرگ
این تیم، دستگاه را بر پایه یک پلتفرم فوتونیک نیترید سیلیکون طراحی کرده و اجزای هدایت‌کننده نور و الکترونیک ساده را در قالبی بسیار فشرده جای داده است. این حسگر نور فروسرخ نزدیک را در بازه‌ای حدود ۱۲۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر اندازه‌گیری می‌کند و اثرانگشت‌های طیفی را در کسری از ثانیه به داده‌های زیست‌شیمیایی تبدیل می‌کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این دستگاه مواد مختلف را با دقتی نزدیک به کامل شناسایی کرد و در مقایسه با طیف‌سنج‌های حرفه‌ای بسیار بزرگ‌تر، تنها ۰٫۰۱ درصد اختلاف نشان داد.
چرا این موضوع مهم است؟ چون کوچک‌سازی طیف‌سنج‌های نوری در گذشته معمولا به معنای فدا کردن کارایی در برابر اندازه بوده است. دستگاه‌های کوچک اغلب در تشخیص نوسان‌های ظریف غلظت یا جداسازی سیگنال‌های هم‌پوشان با مشکل روبه‌رو می‌شوند. پژوهشگران کمبریج با بازطراحی عناصر فوتونیک روی تراشه، این مصالحه را هدف گرفتند تا وضوح طیفی حفظ شود و در عین حال تعداد قطعات کاهش یابد. قطعات کمتر. نیاز پردازشی پایین‌تر. مصرف انرژی کمتر. ساخت ساده‌تر.
اسکن‌های کاربردی: چه چیزهایی را تشخیص می‌دهد و کجا مفید است
این حسگر تاکنون اندازه‌گیری قابل اعتماد رطوبت پوست و چند نشانگر موجود در خون، از جمله الکل، گلوکز و لاکتات را نشان داده است. این‌ها دقیقا همان سیگنال‌هایی هستند که سازندگان گجت‌های پوشیدنی و پزشکان می‌خواهند به شکل پیوسته و غیرتهاجمی پایش کنند. پایش مداوم قند خون بدون حسگرهای کاشتنی یا خون‌گیری از نوک انگشت، مدت‌ها هدفی مهم بوده است. این رویکرد جدید ادعا نمی‌کند که بلافاصله به یک محصول بالینی آماده تبدیل شده، اما مسیر واقع‌بینانه‌ای به سوی پایش بلندمدت و بدون سوزن برای افراد مبتلا به دیابت باز می‌کند.
مقاومت در برابر دما نیز یک مزیت عملی دیگر است. این دستگاه از منفی ۲۰ تا ۸۰ درجه سانتی‌گراد عملکردی پایدار داشت؛ بازه‌ای که از بسیاری از طیف‌سنج‌های کوچک‌سازی‌شده رقیب بهتر است. چنین پایداری برای ابزارهای پوشیدنی مصرفی اهمیت زیادی دارد، زیرا باید در اقلیم‌های مختلف و در محیط‌های صنعتی یا خانگی که تغییرات دمایی رایج است، به‌درستی کار کنند.
هزینه نیز چشمگیر است. پژوهشگران برآورد می‌کنند که در تولید انبوه، هزینه ساخت هر واحد در حدود ۹ یورو باشد. این هزینه پایین مواد، همراه با نیاز کمتر به انرژی، نشان می‌دهد که تولیدکنندگان می‌توانند چنین حسگرهایی را بدون افزایش چشمگیر قیمت، در ساعت‌های هوشمند، دستبندهای تناسب اندام و پچ‌های پزشکی اختصاصی به کار بگیرند.
البته محدودیت‌ها روشن‌اند. اعتبارسنجی در سطح بالینی، آزمون‌های پایداری بلندمدت و دریافت تأییدیه‌های مقرراتی هنوز مراحل ضروری هستند. ابزارهای پوشیدنی در دنیای واقعی چالش‌های بیشتری دارند: خطاهای ناشی از حرکت، تغییرپذیری تماس با پوست و نیاز به الگوریتم‌های پردازش سیگنال قدرتمند برای تبدیل داده‌های طیفی به مقادیر پزشکی معنادار. کار کمبریج گلوگاه سخت‌افزاری را هدف قرار داده است، اما مسیر نرم‌افزاری و بالینی تعیین می‌کند این فناوری با چه سرعتی به بیماران و مصرف‌کنندگان برسد.
در زمینه فناوری‌های مرتبط، این حسگر در میان موج رو‌به‌رشد راهکارهای فوتونیک روی تراشه قرار می‌گیرد که از مواد سازگار با سیلیکون بهره می‌برند تا حسگری نوری را از آزمایشگاه خارج کنند. برخلاف طیف‌سنج‌های حجیم رومیزی، فوتونیک یکپارچه امکان تولید انبوه و ادغام فشرده‌تر با الکترونیک مصرفی موجود را فراهم می‌کند. اگر هدف، پایش سلامت پیوسته و فراگیر باشد، نه آزمایش‌های دوره‌ای و محدود به کلینیک، همین ادغام نقشی حیاتی خواهد داشت.
یکی از پژوهشگران ارشد دانشگاه کمبریج گفت: «هدف ما کوچک کردن طیف‌سنج بود، بدون آنکه توانایی‌های آن کوچک شود. ما دقتی در سطح آزمایشگاه می‌خواستیم، در قالبی که بتواند واقعا در دستگاه‌های روزمره ظاهر شود.» این گفته نکته مهمی را نشان می‌دهد: این دستگاه فقط کوچک‌تر نشده است. طراحی آن برای حفظ همان وفاداری اندازه‌گیری انجام شده که پزشکان و دانشمندان به آن نیاز دارند.
گام‌های بعدی بر کارآزمایی‌های بالینی گسترده‌تر، بهبود الگوریتم‌ها برای حرکت و تفاوت‌های پوستی در دنیای واقعی و همکاری با تولیدکنندگان برای محصولات آزمایشی متمرکز خواهد بود. اگر این بخش‌ها در کنار هم قرار بگیرند، این تراشه می‌تواند به انقلابی آرام در شیوه پایش سلامت تبدیل شود و نور طیفی را به بینش زیست‌سنجی به‌موقع و قابل اقدام بدل کند.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات (1)
وای، ساعت بدون سوزن و دقت آزمایشگاه؟ اگر واقعاً کار کنه، زندگی بیماران دیابتی عوض میشه... هیجان‌انگیز اما هنوز شک دارم