Патч Chem-Phys использует несколько датчиков на Wearable Tech
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разрабатывают переносимый Bluetooth-сенсорный патч, который может отслеживать электрические сигналы, а также биохимические сигналы: патч Chem-Phys.
Наноинженерия и электротехника объединили свои силы в Инженерной школе Джейкобса в UCSD. Команда, состоящая из инженеров из обоих дисциплин, работает в Центре Wearable Sensors в школе, чтобы сделать успехи в ношении техники.
Их последний проект представлен патчем Chem-Phys.
Патч Chem-Phys, в котором напечатаны датчики и пользовательская печатная плата. Изображение предоставлено UCSD
Проект возглавляет профессор Джозеф Ванг, председатель отдела нанотехнологий и профессор Патрик Мерсье, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники. Эти два центра направляют Центр Носимых Датчиков.
Нанотехнологической команде профессора Ванга было поручено разработать сенсор и обработать химию, участвующую в патче. Ответственность инженера-инженера Мерсье заключалась в выяснении электронных компонентов патча, обработке и передаче данных.
Chem и Phys: двухцелевой переносимый датчик
Патч, получивший название Chem-Phys, способен измерять как биохимические, так и электрические данные от его владельца.
Большинство сенсорных патчей фокусируются на записи одного типа данных. Chem-Phys также отслеживает EKG, но он сочетает в себе отслеживание с измерением химических сигналов. В частности, патч отслеживает уровни лактата, биохимического, используемого для отслеживания физических нагрузок.
Изображение предоставлено USCD
При такой комбинации измерений возникает задача управления двумя разными типами датчиков в очень маленьком пространстве, не мешая друг другу.
Изготовление и характеристики Chem-Phys
Патч печатается партиями на прозрачных листах из полиэфирной подложки. Затем датчики были отпечатаны на листе через специально разработанные трафареты.
Патч Chem-Phys печатается партиями на гибкие полиэфирные листы. Изображения предоставлены Nature Communications
Патч сопрягается с пользовательской 4-слойной печатной платой, разработанной Мерсье и его командой.
Плата оснащена системой TI CC2541 (PDF) BLE System-on-Chip, которая собирает и передает данные датчика на приемник с поддержкой Bluetooth 4.0. Передача обеспечивается антенной с чипом 2, 45 ГГц (2450AT42A100) (PDF) и совместимым с импедансом балансом (2450BM15A0002) (PDF), производимым Johanson Technology. Конечным результатом является то, что патч способен синхронизироваться со смартфоном, ноутбуком или смарт-браузером через Bluetooth.
Также включен чип AFE ADS1293 (PDF), используемый для записи показаний ЭКГ. Для определения концентрации лактата используется сопутствующий потенциостат LMP91000 (PDF) AFE.
Для питания в патче используется литиевая батарея с ячейкой CR2032 (PDF), которая обеспечивает 3 В, 220 мАч. Регулирование аккумулятора - это ускорительный преобразователь TPS61220 (PDF).
Структурная схема схемы беспроводного считывания. Изображение предоставлено Nature Communications
Пот и силикон
Одной из проблем при разработке патча является то, что лактатный датчик должен применять небольшое напряжение для измерения тока на своих электродах. Датчик лактата расположен прямо посередине двух датчиков EKG, поэтому инженеры были обеспокоены тем, что это напряжение может нарушить измерения EKG.
При тестировании в лаборатории патч применялся к лицам, которым было предложено пройти физическое упражнение (чтобы лучше всего проверить, правильно ли измеряются датчики лактата и ЭКГ). Трудность исходила из пота, вызванного этим напряжением. Пот выступал в качестве проводника напряжения лактатного датчика, создавая реальный сценарий, в котором датчики патча могли мешать друг другу.
Чтобы противостоять этой проблеме, команда напечатала слой силиконовой резины, чтобы отталкивать пот от датчиков EKG, но не датчик лактата.
Приложения
Патч, естественно, представляет интерес для спортсменов во всем мире. Способность отслеживать их усталость и характеристики сердца во время занятий может открыть много дверей, когда дело доходит до спортивной медицины и физической подготовки.
Изображение предоставлено UCSD
Однако эти же измерения также представляют интерес для кардиологов, которые могут использовать патч, чтобы помочь идентифицировать и управлять рисками у пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
В будущем команда надеется добавить больше возможностей отслеживания химических веществ, таких как мониторинг уровня калия или магния. Если команда успешно интегрирует дополнительные возможности биохимического измерения, Chem-Phys может стать полезной при лечении многих других заболеваний.
Читайте здесь исследовательскую работу команды.