Znak Politechniki Warszawskiej

Czujniki biomedyczne – przyszłość diagnostyki

Jak szybko, łatwo i nieinwazyjnie zmierzyć puls, sprawdzić poziom elektrolitów, cukru, mocznika, a nawet hormonów? Korzystając z czujników biomedycznych naklejanych na skórę. Nad rozwiązaniem pracuje Andrzej Pepłowski – doktorant na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej.

Andrzej Pepłowski dokonuje pomiaru tętna z wykorzystaniem czujnika biomedycznego

Jednym z parametrów, które pozwalają monitorować czujniki biomedyczne, jest tętno, fot. BPI

Czujniki biomedyczne służą do wykrywania sygnałów biologicznych. Jednym z nich jest fala tętna, która rozchodzi się w naczyniach krwionośnych. Wykorzystywany do jej mierzenia czujnik jest na razie w fazie prototypowej. – Opracował go dr inż. Daniel Janczyk – wyjaśnia Andrzej Pepłowski. – Ja zajmuję się jego zastosowaniem i modyfikacjami.

Obaj naukowcy należą do zespołu prof. Małgorzaty Jakubowskiej, który na Wydziale Mechatroniki PW zajmuje się elektroniką drukowaną.

Zauważyć interakcję

Czujnik do mierzenia pulsu jest wydrukowany na papierze do tatuaży tymczasowych. W trakcie badania nakleja się go wraz z drugą warstwą (wykonaną z nanopłatków grafenowych) na skórę, najlepiej na nadgarstku. – Pod wpływem zewnętrznych sił uzyskujemy sygnał – tłumaczy Andrzej Pepłowski. W ten sposób możliwe staje się sprawdzenie tętna.

Sygnał tętna zmierzony przy pomocy czujnika biomedycznego

Sygnał tętna zmierzony przy pomocy czujnika biomedycznego: po lewej tętno to ok. 60 uderzeń na minutę, a po prawej ok. 80 uderzeń na minutę, fot. Andrzej Pepłowski

To jednak tylko jeden z parametrów, który pozwalają monitorować czujniki biomedyczne. Wśród nich wyróżniamy też czujniki elektrochemiczne, dzięki którym można wykrywać różne substancje chemiczne znajdujące się w ludzkim organizmie: elektrolity, cukier, mocznik, hormony. Na razie te urządzenia nie były jeszcze sprawdzane na skórze. Testy odbywały się tylko w laboratorium. W opracowaniu takich czujników (ze względu na ich różne zasady działania) pomaga zespół prof. Elżbiety Malinowskiej z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej.

Jak to możliwe, że przy pomocy tak małych urządzeń jesteśmy w stanie sprawdzić poziom jakiejkolwiek substancji? – To, co biologicznie dzieje się w organizmie, przekładamy na zjawisko fizyczne lub chemiczne, które jesteśmy w stanie mierzyć – opowiada Andrzej Pepłowski. – Może to być sygnał elektryczny, zmiana koloru, odkształcenia… Metod jest tyle, ile zjawisk. Moim zadaniem jest dostrzeżenie potencjalnej interakcji między takim czujnikiem i organizmem, a potem doprowadzenie do momentu, kiedy faktycznie będziemy ją w stanie zauważyć.

Żeby efekty badania można było zobaczyć, trzeba stworzyć stosowny sposób komunikacji. – Chcielibyśmy wykorzystać do tego smartfon – mówi Andrzej Pepłowski. – Czujnik ma być zbliżany do telefonu z zainstalowaną odpowiednią aplikacją, która poda informację o wyniku.

Tylko kilka sekund badania

Warto podkreślić, że czujniki, nad którymi pracuje naukowiec z PW, nie mają służyć do laboratoryjnych pomiarów z dokładnością do kilku miejsc po przecinku. Chodzi o to, by dzięki nim monitorować, jak zachowuje się organizm w różnych sytuacjach (np. określić, kiedy człowiek jest mniej, a kiedy bardziej zestresowany).

Takie zastosowanie pozwala na dużą miniaturyzację czujników. A to tylko jedna z ich zalet.

Czujniki biomedyczne stworzone na Wydziale Mechatroniki PW

Do wytwarzania czujników wykorzystywany jest elektronika drukowana, fot. BPI

Ponadto są one nieinwazyjne, tzn. pozwalają uniknąć kłucia, dostarczania pobranej próbki do laboratorium, a potem czekania na wynik badania. Tu pomiar substancji chemicznych trwa 1–2 sekundy i od razu widać efekt. – Niektórych chorób czy stanów fizjologicznych nie jesteśmy na razie w stanie monitorować w sposób ciągły – dodaje Andrzej Pepłowski. – Do przeprowadzenia badania trzeba się czasem położyć do szpitala na dzień lub dwa, wieczorem albo rano jesteśmy nakłuwani czy podłączani do jakiegoś aparatu i następuje diagnostyka. Nie są to jednak normalne warunki, w których funkcjonuje człowiek. Dokonanie kilku pomiarów w ciągu doby, z wykorzystaniem opracowywanych czujników, pomoże lepiej obserwować zmiany w organizmie.

Dużym udogodnieniem jest też konstrukcja czujnika. Ma on formę tatuażu elektronicznego naklejanego na skórę. To w żaden sposób nie ogranicza użytkownika, nie przeszkadza w codziennym funkcjonowaniu.

Ważną zaletą urządzeń, której na pierwszy rzut oka nie widać, jest technologia zastosowana do ich wytwarzania. – Wykorzystujemy tu elektronikę drukowaną – wyjaśnia Andrzej Pepłowski. – Matryce czujników wykonane są bardzo prostą techniką drukarską, zużywamy tylko tyle materiału, ile potrzebujemy. To umożliwia produkcję na wielką skalę i minimalizację kosztów. Przy dużej skali koszt jednego czujnika może wynosić 2–3 centy. Nawet jeśli jest on jednorazowego użytku, to i tak jest na tyle tani, że jego wykorzystanie opłaca się i użytkownikowi, i producentowi.

Wspólna praca pełna wyzwań

Andrzej Pepłowski zaznacza, że zanim urządzenia, nad którymi pracuje, na dobre pojawią się na rynku, może minąć nawet 5 lat. – Na razie staramy się dostosować technologię wytwarzania samych czujników, żeby w ciągu 2–3 lat opracować przynajmniej kilka takich urządzeń – mówi.

A wyzwań nie brakuje. Najważniejsze to połączenie elastyczności i niskiej wagi czujnika z wytrzymałością. – Podłoże, z którego korzystamy, jest bardzo cienkie i wiotkie, wygląda jak rodzaj papieru lub folii – opowiada naukowiec z Politechniki. – Jeżeli jest się nieostrożnym, łatwo ten materiał zniszczyć. Układ elektroniczny, który na niego naniesiemy naszą techniką drukarską, ma tymczasem wytrzymać przynajmniej kilka godzin użytkowania.

Andrzej Pepłowski podkreśla, że on jest inżynierem biomedycznym, a żeby opracować czujniki, potrzeba wsparcia różnych specjalistów. – Współpracuję z kolegami, którzy mają dużą wiedzę i pomagają od strony technologicznej i chemicznej – wyjaśnia naukowiec. – W naszym zespole jest też lekarz.

Czujniki biomedyczne mogą być przyszłością diagnostyki. – Mamy sygnały z branży medycznej, że to wartościowy kierunek działań – mówi Andrzej Pepłowski. – Myślę, że stworzenie takiego rozwiązania w krótkim czasie spotka się dużą akceptacją i zainteresowaniem tego środowiska.

 

Agnieszka Kapela

Biuro ds. Promocji i Informacji