تله سنسورها و پوشیدنی‏‎ ‎ها در مهندسی پزشکی ‏

امروزه کنترل و مراقبت‌های پزشکی توسط محدوده وسیعی از امکانات و خدمات دستخوش تغییرات مهمی چون تاکید بیشتر بر پیشگیری، شناخت خطرات اولیه، آموزش صحیح کاربران، راه‌های جدید مراقبت سلامت و اختیار افراد در کنترل سلامت فردی خود شده است.
این تحولات در پی رخ دادن عواملی چون تغییرات بنیادی همانند افزایش جمعیت افراد مسن، وجود انواع بیماری‌‌ها و زمینه درمان آنها به وجود آمده اند؛ همچنین پیشرفت‌های قابل ملاحظه در علوم و تکنولوژی مانند تحولات اساسی در پدید آمدن مباحث میکرو و نانو، ارتباطات بی‌سیم، فناوری اطلاعات، علوم زیست پزشکی و سیار تحولات نیز از فاکتورهای مهم در این راستا به شمار می‌آیند.
● مشخصه های اصلی:
یک بیوسنسور از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: سیستم ردیابی بیولوژیک (بیورسپتور)، مبدل (ترنسدیوسر) و سیستم خروجی.در حال حاضر انواع بسیار زیادی از بیوسنسورها وجود دارد، با این حال اکثر آنها شامل یک جزء تشخیص و شناسایی بیولوژیک هستند که با آنالیت‌ها واکنش متقابل نشان داده و در مواقعی که توسط مبدل شناسایی شوند توسط بیورسپتورها جذب شده و پس از گذر از مبدل، سیگنال تولید می‌کنند.
جزء ردیاب بیولوژیک (بیورسپتور) مهم ترین قسمت یک بیوسنسور به حساب می‌آید و به چندین گروه مختلف همانند شکل تقسیم می‌گردد.
عملکرد بیورسپتورها کاملاً انتخابی است به طوری که فقط به یک آنالیت خاص و یا یک مولکول مورد نظر پاسخ می‌دهند، بنابراین از واکنش با سایر مواد جلوگیری می‌شود.‏
به طور کلی سه گروه اصلی از بیوسنسورها وجود دارد. این سه گروه بسته به ماهیت عملکرد و همچنین ساختار بیوشیمیایی و بیولوژیک از یکدیگر متمایز می‌گردند. به عنوان مثال بیوکاتالیتیک (مانند آنزیم‌ها)، ایمونولوژیک (مانند آنتی‌بادی‌ها) و اسید نوکلئیک (مانند ‏DNA‏)
● مبدل
مبدل جزء دیگری از ساختار بیوسنسور است که نقش بسیار مهمی در فرایند شناسایی ایفا می‌کند. بیوسنسورها به طور معمول مطابق با نوع تبدیلی که انجام می‌دهند طبقه‌بندی می‌گردند. انواع بسیار زیادی از روش‌های تبدیل در چند دهه گذشته معرفی شده‌اند ولی با این حال روش‌های متداول و رایج که در حال حاضر موجود هستند، انگشت شمار است. در این میان پرکاربرد آنها، مبدل‌های الکتروشیمیایی، نوری، پیزوالکتریک، گرمایی یا گرماسنجی است.‏
● تله سنسور ها در پزشکی
هدف از معرفی این نوع سنسور، توسعه آرایه‌ای از تراشه‌ها جهت نمایش و مانیتور کردن فعالیت‌های بدن و انتقال آن به مراکز درمانی هدف است.
با قرارگیری تراشه تله سنسور پزشکی بر روی نوک انگشت، امکان ثبت چندین پارامتر حیاتی و ارسال آنها وجود دارد. این پارامترها نشان درجه حرارت بدن، فشار خون، سطح اکسیژن، نرخ ضربان قلب و چندین پارامتر دیگر است.‏
این نوع سنسورها که برای اولین بار با هدف مانیتور کردن علائم حیاتی سربازان نظامی در مناطق جنگی و ارسال این علائم به یک مرکز ثبت کننده کنترل از راه دور به کار گرفته شده، به صورت غیرتهاجمی به نقاط مختلفی از بدن همانند یک ماده چسبنده متصل شده و نتایج را گزارش می دهد. همچنین قادر خواهد بود اطلاعات فیزیولوژیک بدن را از طریق ارسال بی‌سیم به یک مانیتور هوشمند بر روی کلاه سرباز دیگری بفرستد، در این صورت اگر اطلاعات رسیده حاکی از آن باشد که وضعیت جسمانی در یکی از ۵ سطح از قبل تعیین شده آسیب‌دیدگی است، مانیتور آلارم امداد را به صدا درآورده و کمک‌رسانی در کوتاه‌ترین زمان ممکن صورت می‌پذیرد. همچنین این مانیتور قادر به ارسال و دریافت سیگنال‌های موقعیت‌یابی ماهواره‌ای (‏GPS‏) جهت دسترسی سریع به محل وقوع حادثه است.
پیشرفت‌های انجام گرفته بر روی تله سنسورهای پزشکی حاکی ازآن است که این تراشه های سودمند کاربردهای غیرنظامی نیز دارد. مانیتورهای بی‌سیم قابل نصب بر روی پوست امکان نمایش اطلاعات ارزشمند از شرایط فیزیولوژیک بیماران تحت مراقبت‌های ویژه، بیماران سرپایی با ریسک بالا، نوزادانی که در معرض سندرم مرگ ناگهانی هستند و بسیاری بیماران دیگر که در وضعیت اورژانس قرار دارند را در بیمارستان‌ها و سایر مرکز درمانی دارند.‏
تله سنسور پزشکی یک تراشه ۲*۲ میلی‌متری و از جنس سیلیکون است. این تراشه شامل یک سنسور گرمایی و یک باتری نواری باریک لیتیم است و به مصرف توان کمی جهت راه‌اندازی مدار، پردازش سیگنال الکترونیکی و ارسال آن نیاز دارد. آنتن تعبیه شده بر روی تراشه، به هنگام گرفتن دستور ارسال داده، اطلاعات را توسط سیگنال‌های رادیویی (انتقال فرکانسی رادیویی) به مانیتور ارسال می‌کند.
این تراشه به نام تله سنسور پزشکی ‏ASIC‏ معروف شده است و از یک مدار کامل با اهداف مسافت سنجی بهره می‌برد، به عبارت دیگر اندازه‌گیری اتوماتیک و انتقال اطلاعات از منابع راه دور به گیرنده‌ها به منظور ثبت و تجزیه و تحلیل داده‌ها.
بررسی سطح اکسیژن خون از دیگر کاربرد این تراشه‌هاست. با تغییر سطح اکسیژن خون، رنگ هموگلوبین آن نیز تغییر یافته و این تراشه‌ها با داشتن یک منبع و یک آشکارساز نوری، توانایی ردیابی و اندازه‌گیری تغییرات در رنگ هموگلوبین به هنگام تابش نور را خواهند داشت. نتایج به دست آمده توسط انتقال بی‌سیم گزارش می‌شوند. فشار خون و نرخ ضربان قلب با سنسورهایی که برای تشخیص تغییرات فشار بدن طراحی شده‌اند، قابل اندازه‌گیری هستند.
امروزه تحقیقات در حال انجام بر روی فیبرهای نوری ساخته شده از سیلیکون سعی در پی بردن به یافته‌هایی درباره ویژگی‌های منحصر به فرد این ترکیب‌ها دارند.
برخلاف فیبر شیشه‌ای، فیبر سیلیکونی انعطا‌ف‌پذیر است. به این مفهوم که امکان فشردن و یا کشیدن آنها وجود داشته و جالب‌تر آنکه محاسبه میزان فشردگی و یا کشیدگی فیبر با گذراندن پرتو نور از درون آن میسر می‌گردد.
اگر یک فیبر سیلیکونی بر روی یک تراشه، میزان فشار در موقعـ‌یت های مختلف بدن را حس کند، می‌‌توان از این قابلیت برای نمایش میزان فشار خون، نرخ ضربان قلب، نرخ تنفس (انبساط قفسه سینه)، میزان خمیدگی زانو هنگام توانبخشی فیزیکی و بسیاری کاربردهای دیگر استفاده نمود.
از طرف دیگر بیماری‌هایی مانند دیابت، آلزایمر و همچنین عوامل اختلالات شیمیایی باعث تغییراتی در غلظت یون‌های فلزی بدن همچون کلسیم می‌‌شوند. اگر این تغییرات قابل ردیابی و اندازه‌گیری باشند، اطلاعات موجود می‌توانند نشانه‌هایی را درباره ماهیت بیماری فراهم آورند.
برای این منظور از فیبرهای نوری شیشه‌ای و یک مولکول هیبرید دست‌ساز، بیوسنسوری در حال ساخت است که در آن فیبر نوری به مولکول هیبرید از یک طرف و نیم دیگر مولکول هیبرید به مولکول‌های کلسیم از طرف دیگر، اتصال یافته ا‌ند. با اتصال مولکول هیبرید به کلسیم، نور فلورسانس تابش شده و به این ترتیب، با برقراری ارتباط بین این مولکول به انتهای فیبرهای نوری بسیار کوچک، میزان یون‌های کلسیم در محلول قابل مقایسه خواهد بود و میزان تغییرات غلظت آن قابل ردیابی است.
انجام محاسبات مشابه در درون یک سلول زنده واحد از اهداف پژوهشگران در راستای طراحی و ساخت انواع تله سنسورهای پزشکی با قابلیت‌های جدید جهت تشخیص علائم حیاتی و گزارش آنها در کوتاه‌‌ترین زمان ممکن به مراکز درمانی مورد نظر است.
در همین راستا با توجه به جایگاه امروزی پزشکی از راه دور، سیستم‌های هوشمند شخصی پوشیدنی (‏Intelligent Wearable Personal Systems‏) با قابلیت مانیتورینگ پیوسته علائم حیاتی و بازخورد آن به کاربر، به طور قابل ملاحظه‌ای در پیشگیری، تشخیص به موقع،‌ کنترل و درمان بیماری مؤثر خواهند بود.
پیشرفت‌های صورت گرفته در راستای بحث میکروسنسورهای زیست پزشکی تا حد زیادی از یافته‌‌های تکنولوژیک همچون هوشمند بودن، سرعت بالا، ابعاد کوچک و مواد اولیه ارزان قیمت در ساخت نمونه‌ها سود می‌برند.
نسل جدید بیوسنسورهای پزشکی، طیف وسیعی از اختیارات را جهت اندازه گیری های دقیق بر روی بدن انسان در رسیدن به اهدافی چون تشخیص صحیح و به موقع، مراقبت های اورژانس، درمان در منزل و یا هر جای دیگر را در هر زمان فراهم می آورند.‏
تحقیقات و پیشرفت های انجام گرفته طی ۱۵ - ۱۰ سال اخیر، تحولی در این عرصه به وجود آورده که نمونه های طراحی و ساخته شده طیف وسیعی از بیوسنسورها و اخیرا سنسورهای پوشیدنی گویای این واقعیت است. ‏
بیوسنسورهای پوشیدنی را می توان به عنوان گیرنده یا محرک تلقی نمود و سیستم های ارتباطی مبتنی بر سنسور می توانند عملکرد بیوفیزیک انسان را نمایش داده و/یا تحریک کرده و/یا درمان نموده و/یا جایگزین کنند (تعریف فوق توسط کمیته علمی و فنی ‏IEEE‏ در بحث‏Wearable Biomedical Sensors and Systems ‎‏ و یا به طور مخفف ‏WBS‏ ارائه شده است) . نمونه های اولیه در حال آزمایش نیز توسط یک کمیته بین المللی اروپائی موسوم به ‏EU‏ در سراسر دنیا در حال انجام است که نشان می دهد استفاده از الیاف، یک جایگاه منحصر به فرد با کاربری آسانتر را در تماس با پوست رقم خواهد زد.‏
نمونه هائی از منسوجات با قابلیت پردازش و ثبت داده های پزشکی و نمایش سیگنال های بیولوژیک بواسطه قرار گرفتن لوله های نانو کربن در تار و پود الیاف که عملا وظیفه یک بیوسنسور را به عهده دارند، در صنایع نظامی، پزشکی، پلیس، آتش نشانی و چندید کاربرد دیگر مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج حاصل از آن مورد تائید بوده است.
چشم انداز آینده به طراحی و ساخت الیاف هوشمند جهت نمایش انواع مختلفی از اطلاعات بر روی مانیتور بوده و یکی از تکنولوژی های روز دنیا در زمینه انواع سیستم های ثبت، پردازش، مانیتورینگ و ارسال داده های با ارزش پزشکی است. دستاوردهای آخرین کنفرانس بین المللی در زمینه سلامت الکترونیک ‏‎ (E-Health)‎و پزشکی از راه دور (‏Telemedicine‏) که ۱۴-۱۲ ژوئن سال ۲۰۰۶ در کشور نروژ برگزار شد، در مباحث اصلی که شامل پرونده الکترونیکی بیمار، اطلاعات چندرسانه ای پزشکی، سیستم های پردازشگر پوشیدنی، واقعیت مجازی، مواد هوشمند در مهندسی پزشکی، تکنولوژی نانو و کاربرد آن در سلامت الکترونیک و پزشکی از راه دور، روباتیک و . . . موید این مطلب است.

علاقه مندان می توانند جهت مطالعه بیشتر به وب سایت رسمی کنفرانس ‏http://www.telemed.no/index.php?id=۱۹۶۳۸۵‏ مراجعه نمایند

منبع : مجله مهندسی پزشکی و تجهیزات آزمایشگاهی