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 устройств��, 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.
