Подкожный сенсор размером 0,85×1,5 мм для мониторинга концентрации алкоголя в крови на фоне одноцентовой монеты с диаметром 19 мм. Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Постоянный мониторинг концентрации алкоголя в крови — важная задача, решение которой может спасти миллионы жизней. Если мониторинг осуществляется автоматически с передачей данных по беспроводной связи, то такой сенсор легко подключить в систему управления автомобилем — и больше никогда за руль автомобиля не сядет человек с концентрацией алкоголя в крови выше допустимого уровня. Двигатель просто не заведётся.
Более того, по желанию носителя такие сенсоры могут автоматически отправлять информацию в правоохранительные органы и в скорую помощь для автоматического реагирования на предельные концентрации алкоголя. Не секрет, что значительная доля тяжких преступлений и самоубийств совершается в состоянии алкогольного опьянения. Такой мониторинг тоже спасёт многие жизни.
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали миниатюрный имплантируемый биосенсор сверхнизкой мощности, который может использоваться для непрерывного долгосрочного мониторинга алкоголя. Чип достаточно мал, чтобы имплантироваться в тело прямо под поверхностью кожи и питается от беспроводного носимого устройства — например, от смартфона, умных часов или другого носимого устройства.
Миниатюрная микросхема размером 0,85×1,5 мм требует всего 970 нановатт для работы. Передача данных осуществляется методом обратного рассеяния (время измерения — не более трёх секунд). В принципе, такое малое количество энергии можно добывать непосредственно из тела человека: например, разлагая сахар в крови, или по разнице температур между внутренним и внешним контуром микросхемы. Или из различных фоновых источников: вибрация, радиоволны и проч. Но в данном случае разработчики реализовали самый простой способ получения энергии от постоянного внешнего передатчика, коим может выступать любой электронный гаджет или носимая электроника.
Сенсор по сравнению с ребром одноцентовой монеты толщиной 1,55 мм. Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
«Конечная цель этой работы — разработать постоянное, ненавязчивое устройство мониторинга алкоголя и наркотиков для пациентов в программах лечения наркомании, — говорит руководитель проекта Дрю Холл (Drew Hall), профессор электротехники инженерной школы UC San Diego Jacobs. Дрю Холл также сотрудничает с Центром беспроводной связи и Центром носимых сенсором, которые работают при Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Одна из проблем для пациентов в программах лечения зависимости — отсутствие удобных инструментов для постоянного мониторинга. Наиболее распространённый сейчас способ оценки уровня алкоголя в крови — это алкотестеры, довольно неуклюжие устройства. Для их использования нужно вступить в контакт с пациентом и попросить его о содействии, что не всегда возможно и удобно сделать. К тому же алкотестеры дают не очень точный результат, и их можно обмануть. Анализ крови — наиболее точный метод, но его должен выполнять квалифицированный специалист.
В качестве альтернативного метода измерения уровня алкоголя в крови предлагалось использовать специальные татуировки на теле со встроенными сенсорами алкоголя, однако и они не лишены недостатков. Такие татуировки легко удалить — и они предназначены для одноразового использования (то есть сами татуировки временные). По мнению разработчиков нового сенсора, подкожная инъекция — самый надёжный вариант для долговременного и точного отслеживания уровня алкоголя в крови на протяжении многих месяцев и лет.
Подкожный сенсор по сравнению с пенни и остриём биопсийной иглы размером 16G (1,65 мм). Фото: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Чип биосенсора объёмом около одного кубического миллиметра вводится под кожу в интерстициальную жидкость, которая окружает клетки организма. Датчик покрыт алкогольоксидазой (КФ 1.1.3.13). Этот энзим выборочно взаимодействует с спиртом и производит субпродукт, который можно электрохимически обнаружить. Электрические сигналы передаются по беспроводной сети на соседнее носимое устройство, вроде умных часов, которое одновременно выступает источником беспроводного электропитания для чипа. Два дополнительных датчика на чипе измеряют фоновые сигналы и уровни pH, чтобы уточнить показатели по концентрации алкоголя. Маломощный стабилизатор напряжения использует амперометрические и потенциометрические методы с чувствительностью 2,5 наноамепр и 0,5 милливольт, соответственно.
Микросхему уже протестировали в лаборатории на смеси этанола в разбавленной человеческой сыворотке под слоями кожи свиньи. Теперь учёные планируют провести опыты на живых свиньях. Изобретатели подали патентную заявку на эту технологию.
Научная статья “A Sub-1 μW Multiparameter Injectable BioMote for Continuous Alcohol Monitoring” представлена 10 апреля 2018 года на конференции IEEE Custom Integrated Circuits Conference в Сан-Диего.
Автор: Анатолий Ализар
