На изображении здесь представлен подкожный сенсор размером всего 0,85х1,5 мм, который предназначен для непрерывного отслеживания концентрации этанола в крови человека. Для демонстрации масштаба сенсора рядом с ним расположена монета достоинством в один цент с диаметром 19 мм. Разработка сенсоров для постоянного мониторинга уровня алкоголя в крови является приоритетной задачей, решение которой может предотвратить миллионы несчастных случаев и спасти жизни. Интеграция таких сенсоров в системы управления транспортными средствами позволит предотвратить вождение в нетрезвом виде. Автоматическое отключение двигателя при превышении допустимой концентрации алкоголя станет эффективным барьером против дорожно-транспортных происшествий. Помимо этого, с согласия носителя, сенсоры могут передавать информацию о критических уровнях алкоголя в кровь правоохранительным органам и службам экстренной помощи, что позволит обеспечить своевременное реагирование на потенциальные опасные ситуации.
Известно, что значительное количество тяжких преступлений и самоубийств совершается под воздействием алкоголя. Внедрение такой системы мониторинга может существенно снизить число подобных трагедий.
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
Источник: https://habr.com/
