WPI-ingeniører skaber miniaturiseret, trådløs iltsensor til syge spædbørn

Forskere ved Worcester Polytechnic Institute (WPI) er ved at udvikle en sensor på størrelse med et plaster, der måler en babys iltniveauer i blodet, en vital indikation af lungernes effektivitet, og om barnets væv får tilstrækkelig iltforsyning. I modsætning til nuværende systemer, der bruges på hospitaler, denne miniaturiserede bærbare enhed vil være fleksibel og strækbar, trådløs, billig, og mobil - muligvis tillade barnet at forlade hospitalet og blive overvåget eksternt.

Ulkuhan Guler, assisterende professor i el- og computerteknik og direktør for WPI's Integrated Circuits and Systems Lab, leder projektet med fokus på at muliggøre syge, indlagte spædbørn for at blive koblet fra kablede sensorer, så de lettere og hyppigere kan undersøges, holdt, og fik endda lov til at gå hjem. Guler og hendes team har udviklet en miniature oxygenmonitor til babyer, som måler blodgasser, der diffunderer gennem huden og rapporterer dataene trådløst.

"Forlængede ophold på hospitalet er dyre og kan være en belastning for familier, " sagde Guler. "Og undersøgelser har vist, at babyers helbred forbedres, når de er sammen med deres familier. Vores mål med denne overkommelige, mobil enhed skal give læger mere fleksibilitet til at overvåge deres patienter både på hospitalet og derhjemme. "

Typisk, måling af oxygenmolekyleniveauer transkutant involverer brug af et system med en ca. 5-punds monitor tilsluttet en stikkontakt, og sensorer, der generelt er forbundet til monitoren. Gulers sundhedsudstyr bruger trådløs strømoverførsel. Den vil også være forbundet til internettet trådløst, så en alarm på en skærm i et lægekontor eller en smartphone-app vil underrette medicinsk personale og familiemedlemmer, hvis babyens iltniveau begynder at falde.

Enheden er designet til at måle PO2, eller partialtrykket af ilt, som angiver mængden af ​​ilt, der er opløst i blodet - en mere nøjagtig indikator for respiratorisk sundhed end en simpel iltmætningsmåling, som let kan tages med en pulsoximetri-enhed, der forsigtigt klemmes på en finger. Og at måle PO2-niveauet via en ikke-invasiv enhed, der er fastgjort på huden, er lige så nøjagtig som en blodprøve.

Den bærbare babyiltmonitor ville også være nyttig for voksne, især mennesker med svær astma og ældre med KOL, eller kronisk obstruktiv lungesygdom, som er uhelbredelig, progressiv lungesygdom og den tredje største dødsårsag i USA, ifølge Centers for Disease Control and Prevention. Guler vil ændre det bærbare til voksne, og opret en relateret smartphone -app, i en anden fase af hendes forskning.

Guler samarbejder med Pratap Rao, lektor i maskinteknik ved WPI, og Lawrence Rhein, MD, formand for pædiatrisk afdeling og lektor ved University of Massachusetts Medical School. Ian Costanzo og Devdip Sen, både kandidatstuderende i el- og computerteknik på WPI, arbejder også sammen med Guler om at skabe en chip, der i sidste ende vil fungere som hjertet for den bærbare enhed.

"Teknologiens koncept er, at hvis vi har mere tilgængelige data for en person i enhver alder, vi vil være i stand til bedre at tage os af disse patienter, "sagde Rhein, der har rådgivet Guler om, hvad der er nødvendigt på et hospital og hjemme. "Ideen om ikke-invasiv, ubundne, tilgængelig dataindsamling åbner op for en helt ny verden af ​​omsorg."

Chippen, designet til at fungere inde i den bærbare iltmonitor, aktiverer de optiske sensorer, fanger analoge signaler fra sensoren, håndterer strømstyring, og indeholder påkrævet kredsløb. Guler og teamet har specialdesignet de individuelle kredsløb, såsom signalfangende kredsløb og driverkredsløb til optisk baserede udlæsningskredsløb. I den næste fase af forskningsprojektet, they plan to equip the chip with more circuitries to digitize the analogue signals, transmit the captured and digitized data, and create power from a wireless link. På det tidspunkt, it will be a complete system on the chip.

In an interdepartmental collaboration, Guler and Rao are creating miniaturized thin and flexible sensors for the wearable healthcare devices so they will be comfortable and secure on the babies while they're moving.

The team has written four papers (two more papers are in preparation about their research) focusing separately on miniaturizing devices, creating the prototype, oxygen measurement techniques, and building the chip. Three of the papers are under review. One, titled "A Prototype Towards a Transcutaneous Oxygen-Sensing Wearable, " was presented at the Biomedical Circuits and Systems Conference, or BioCAS 2019, in Nara, Japan in October.