Блог

Jun 24, 2023

Графеновые татуировки непрерывно измеряют кровяное давление

Измерение артериального давления не сильно изменилось со времени изобретения

Измерение артериального давления не сильно изменилось с момента изобретения надувного сфигмоманометра на манжете в 1881 году. Люди могут использовать устройство для снятия показаний несколько раз в день, но этого недостаточно для получения целостного представления о здоровье сердечно-сосудистой системы.

Новые электронные татуировки из графена непрерывно измеряют артериальное давление в течение нескольких дней. Ультратонкие световые датчики могут позволить контролировать кровяное давление пациента, пока он занимается своей повседневной деятельностью.

«Артериальное давление — действительно важный жизненно важный показатель», — говорит Рузбе Джафари, профессор электротехники и компьютерной инженерии Техасского университета A&M. «Стресс может убить. Стресс приводит к изменениям артериального давления, но у нас нет возможности его измерить или понять. Поэтому, если существует технология непрерывного измерения артериального давления, это меняет правила игры».

Людям с сердечно-сосудистыми заболеваниями и гипертонией необходимо регулярно контролировать артериальное давление. Чтобы сделать это незаметно, в последние годы исследователи разработали методы без манжет. Некоторые полагаются на носимые акустические датчики, которые измеряют изменения ультразвуковых сигналов, проходящих через ткани, или датчики давления, которые могут обнаружить расширение кровеносных сосудов на запястье. Они громоздки и могут перемещаться, искажая измеряемые сигналы.

Датчики на основе света, такие как те, что используются в фитнес-браслетах и ​​умных часах, могут точно измерять частоту сердечных сокращений по капиллярам в коже, но свет не проникает достаточно глубоко, чтобы обнаружить волну артериального давления.

В новом датчике артериального давления используются графеновые электронные датчики татуировки, изобретенные в 2017 году профессором электротехники и вычислительной техники Деджи Акинванде из Техасского университета в Остине. Джафари и Акинванде совместно работали над новыми графеновыми датчиками артериального давления, о которых они сообщили в журнале Nature Nanotechnology.

Чтобы сделать татуировки, исследователи выращивают один или два слоя графена на медной фольге, покрывают его ультратонким слоем акрила толщиной 200 нанометров и переносят его на коммерческую бумагу для временных татуировок. По словам Акинванде, толщина графена на атомном уровне означает, что пластыри очень хорошо прилегают к коже, поэтому они прилипают без необходимости использования клея и остаются на месте. К тому же, носитель их не чувствует.

В прототипе системы непрерывного мониторинга артериального давления сегменты медной фольги прикрепляются к запястью. Метки изображений идентифицируют лучевую и локтевую артерии человека, а также места «инъекции» (введения) сигнала переменного тока низкого уровня. Техасский университет в Остине/Техасский университет A&M/Природные нанотехнологии

Чтобы определить кровяное давление, исследователи используют графеновые датчики для измерения биоимпеданса — электрического сопротивления протеканию тока через ткани. Они прикрепляют два ряда по шесть графеновых татуировок на запястье участника. Каждый ряд расположен прямо над одной из двух основных артерий запястья. Крайние патчи в каждом ряду посылают небольшие электрические токи в плечо, а четыре внутренних патча измеряют изменения напряжения, что помогает рассчитать импеданс.

По словам Джафари, импеданс отражает изменение объема крови в артериях, но не влияет напрямую на кровяное давление. Поэтому команда создала алгоритм машинного обучения для точной оценки артериального давления на основе нескольких различных параметров, включая изменение объема крови, время прохождения импульса давления между двумя участками, разницу во времени между поступлением импульсов на две артерии и время прохождения импульса давления между двумя участками. эластические свойства артерий.

В качестве демонстрации исследователи прикрепили графеновые датчики к семи участникам эксперимента и измерили кровяное давление, пока добровольцы выполняли активные упражнения. Чтобы определить точность, они сравнили показания с периодическими показаниями, полученными с использованием стандартной манжеты для измерения артериального давления.

Некоторые участники отправились на напряженную прогулку на улицу при температуре 38 °C, а другие выполнили отжимания. Татуировки не портились под воздействием света и тепла, а также при контакте с водой или потом. Исследователи смогли непрерывно контролировать артериальное давление в течение пяти часов. По словам Джафари, более длительный мониторинг вполне возможен, поскольку татуировки держатся семь дней.