Inżynierowie z Georgia Institute of Technology opracowali bezprzewodowy system, który pozwala małym implantowanym czujnikom i urządzeniom wykonawczym komunikować się za pośrednictwem tkanek organizmu. Rozwiązanie nazwane SWANS ma umożliwiać łączenie urządzeń umieszczonych w różnych częściach ciała, także głęboko wewnątrz żołądka. Czujnik może wykrywać sygnał biologiczny w miejscu, w którym działa najlepiej, a oddalony aktuator może na tej podstawie uruchomić zaplanowaną reakcję, na przykład stymulację nerwu lub uwolnienie leku. Wyniki opisano 24 września w czasopiśmie Science.
Autorzy badania wyszli z założenia, że organizm nie jest dobrym środowiskiem dla tradycyjnych sygnałów bezprzewodowych, takich jak Bluetooth lub NFC. Tego rodzaju transmisja jest ograniczana przez właściwości tkanek, a urządzenia wykorzystujące klasyczną łączność potrzebują również anten i energii. W przypadku implantów oznacza to konieczność znalezienia miejsca na dodatkowe elementy, co może zwiększać ich rozmiar i komplikować konstrukcję.
SWANS omija te ograniczenia, wykorzystując naturalne przewodnictwo jonowe tkanek jako drogę komunikacji. Każdy implant można zaprogramować tak, aby reagował na impulsy elektryczne o określonym napięciu i czasie trwania. Urządzenie rozpoznaje właściwy wzorzec i uruchamia się tylko wtedy, gdy otrzyma przeznaczony dla niego sygnał. W ten sposób kilka czujników i aktuatorów może działać jako jedna sieć, mimo że nie muszą być połączone przewodem, ustawione względem siebie ani umieszczone blisko siebie.
Słownik artykułu
Krótkie objaśnienia terminów występujących w tekście. Każde hasło prowadzi do szerszej definicji i przykładów użycia.
Element, który po otrzymaniu sygnału wykonuje określone działanie, na przykład stymuluje nerw, wywołuje skurcz mięśnia albo uwalnia lek.
Przenoszenie ładunku elektrycznego przez jony obecne w tkankach. W systemie SWANS to zjawisko służy jako droga przekazywania krótkich impulsów między urządzeniami.
Jedną z najważniejszych cech systemu jest rozdzielenie miejsca pomiaru od miejsca reakcji. Czujnik może zostać umieszczony tam, gdzie najlepiej wykrywa wybrany sygnał biologiczny, a urządzenie wykonawcze może trafić do obszaru, w którym ma wywołać odpowiedź. W założeniu systemu nie trzeba prowadzić między nimi przewodu ani umieszczać obu elementów w jednej okolicy ciała. Pozwala to projektować sieć złożoną z wielu rozproszonych urządzeń, które reagują na siebie według ustalonej logiki.
SWANS nie służy jednak do przesyłania dużych plików ani do wykonywania złożonych obliczeń wewnątrz implantów. Sieć przekazuje przede wszystkim małe ilości danych, na przykład informację o obecności lub braku określonego sygnału albo prosty rozkaz typu tak lub nie. Większa wymiana danych i cięższe obliczenia mają odbywać się w zewnętrznym urządzeniu noszonym przez pacjenta. Taki hub może zbierać odczyty z implantów i kierować działaniem innych urządzeń.
Działanie sieci zademonstrowano w badaniu na szczurze. Zespół połączył czujnik wykrywający ruch przedniej łapy z interfejsem neuralnym i urządzeniem stymulującym mięsień tylnej kończyny. Gdy czujnik rejestrował ruch przedniej łapy, system autonomicznie uruchamiał stymulację prowadzącą do skurczu mięśnia w tylnej nodze. Badacze opisali ten efekt jako odtworzenie elementu naturalnego wzorca chodzenia zwierzęcia, z wykorzystaniem sygnału z jednej części ciała do wywołania działania w innej.
Ważną cechą rozwiązania ma być niski pobór mocy. Małe urządzenia pozostają w stanie oczekiwania bez istotnego zużycia energii, a po otrzymaniu właściwego impulsu budzą się i wykonują zaprogramowane działanie. W przedstawionym doświadczeniu pozwoliło to uzyskać konstrukcje o rozmiarach poniżej 3 mm. Jednocześnie opisany czas działania dotyczył konkretnego aktuatora uruchamianego raz dziennie, a nie wszystkich możliwych konfiguracji systemu.
Autorzy widzą w SWANS potencjalne narzędzie do automatyzacji wybranych reakcji terapeutycznych. W przyszłych zastosowaniach czujnik mógłby wykrywać sygnał w jednym miejscu, a sieć uruchamiać odpowiedź w innym, na przykład uwolnienie leku albo stymulację nerwu. Taka organizacja mogłaby pomóc koordynować wiele urządzeń w obrębie jednego organizmu i dostarczać działanie wtedy, gdy zostanie wykryty zaprogramowany sygnał. Są to jednak kierunki rozwoju wskazane przez badaczy, a nie potwierdzone zastosowania kliniczne.
Badanie obejmowało demonstrację na szczurze oraz ocenę wpływu impulsów na próbki tkanek. Źródło nie przedstawia wyników badań z udziałem ludzi ani danych potwierdzających bezpieczeństwo i skuteczność systemu w leczeniu pacjentów. Z tego powodu nie można traktować SWANS jako gotowej technologii medycznej ani podstawy do samodzielnego stosowania jakiejkolwiek terapii. Wyniki są przede wszystkim dowodem możliwości technicznej stworzenia małej, niskoenergetycznej sieci implantów wykorzystującej przewodnictwo tkanek.
W badaniu uczestniczyli między innymi Ramy Ghanim, pierwszy autor pracy, oraz Alex Abramson, jej starszy autor, wraz z zespołami inżynierii mechanicznej, biomedycznej i elektrycznej Georgia Tech. Współpracowali także naukowcy z Massachusetts Institute of Technology zajmujący się inżynierią materiałową. Praca została opublikowana pod tytułem dotyczącym komunikacji między noszonymi i implantowanymi urządzeniami terapeutycznymi. Jej znaczenie polega na pokazaniu, że rozproszone czujniki i urządzenia wykonawcze mogą być projektowane jako współpracujący system, choć droga do zastosowań u ludzi wymaga dalszych badań.
Brak komentarzy. Bądź pierwszy!