تله سنسورها و پوشیدنی‏‎ ‎ها در مهندسی پزشکی

●‏ مقدمه:
امروزه كنترل و مراقبت‌های پزشكی توسط محدوده وسیعی از امكانات و خدمات دستخوش تغییرات مهمی چون تاكید بیشتر بر پیشگیری، شناخت خطرات اولیه، آموزش صحیح كاربران، راه‌های جدید مراقبت سلامت و اختیار افراد در كنترل 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 تكنولوژی مانند تحولات اساسی در پدید آمدن مباحث میكرو و نانو، ارتباطات بی‌سیم، فناوری اطلاعات، علوم زیست پزشكی و سیار تحولات نیز از فاكتورهای مهم در این راستا به شمار می‌آیند.
● مشخصه های اصلی:
یك بیوسنسور از سه قسمت اصلی تشكیل شده است: سیستم ردیابی بیولوژیك (بیورسپتور)، مبدل (ترنسدیوسر) و سیستم خروجی.
در حال حاضر انواع بسیار زیادی از بیوسنسورها وجود دارد، با این حال اكثر آنها شامل یك جزء تشخیص و شناسایی بیولوژیك هستند كه با آنالیت‌ها واكنش متقابل نشان داده و در مواقعی كه توسط مبدل شناسایی شوند توسط بیورسپتورها جذب شده و پس از گذر از مبدل، سیگنال تولید می‌كنند.جزء ردیاب بیولوژیك (بیورسپتور) مهم ترین قسمت یك بیوسنسور به حساب می‌آید و به چندین گروه مختلف همانند شكل تقسیم می‌گردد.
عملكرد بیورسپتورها كاملاً انتخابی است به طوری كه فقط به یك آنالیت خاص و یا یك مولكول مورد نظر پاسخ می‌دهند، بنابراین از واكنش با سایر مواد جلوگیری می‌شود.‏
به طور كلی سه گروه اصلی از بیوسنسورها وجود دارد. این سه گروه بسته به ماهیت عملكرد و همچنین ساختار بیوشیمیایی و بیولوژیك از یكدیگر متمایز می‌گردند. به عنوان مثال بیوكاتالیتیك (مانند آنزیم‌ها)، ایمونولوژیك (مانند آنتی‌بادی‌ها) و اسید نوكلئیك (مانند ‏DNA‏).
‏● مبدل
مبدل جزء دیگری از ساختار بیوسنسور است كه نقش بسیار مهمی در فرایند شناسایی ایفا می‌كند. بیوسنسورها به طور معمول مطابق با نوع تبدیلی كه انجام می‌دهند طبقه‌بندی می‌گردند. انواع بسیار زیادی از روش‌های تبدیل در چند دهه گذشته معرفی شده‌اند ولی با این حال روش‌های متداول و رایج كه در حال حاضر موجود هستند، انگشت شمار است. در این میان پركاربرد آنها، مبدل‌های الكتروشیمیایی، نوری، پیزوالكتریك، گرمایی یا گرماسنجی است.‏
● تله سنسور ها در پزشكی
هدف از معرفی این نوع سنسور، توسعه آرایه‌ای از تراشه‌ها جهت نمایش و مانیتور كردن فعالیت‌های بدن و انتقال آن به مراكز درمانی هدف است.
با قرارگیری تراشه تله سنسور پزشكی بر روی نوك انگشت، امكان ثبت چندین پارامتر حیاتی و ارسال آنها وجود دارد. این پارامترها نشان درجه حرارت بدن، فشار خون، سطح اكسیژن، نرخ ضربان قلب و چندین پارامتر دیگر است.‏
این نوع سنسورها كه برای اولین بار با هدف مانیتور كردن علائم حیاتی سربازان نظامی در مناطق جنگی و ارسال این علائم به یك مركز ثبت كننده كنترل از راه دور به كار گرفته شده، به صورت غیرتهاجمی به نقاط مختلفی از بدن همانند یك ماده چسبنده متصل شده و نتایج را گزارش می دهد. همچنین قادر خواهد بود اطلاعات فیزیولوژیك بدن را از طریق ارسال بی‌سیم به یك مانیتور هوشمند بر روی كلاه سرباز دیگری بفرستد، در این صورت اگر اطلاعات رسیده حاكی از آن باشد كه وضعیت جسمانی در یكی از ۵ سطح از قبل تعیین شده آسیب‌دیدگی است، مانیتور آلارم امداد را به صدا درآورده و كمك‌رسانی در كوتاه‌ترین زمان ممكن 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 پزشكی حاكی ازآن است كه این تراشه های سودمند كاربردهای غیرنظامی نیز دارد. مانیتورهای بی‌سیم قابل نصب بر روی پوست امكان نمایش اطلاعات ارزشمند از شرایط فیزیولوژیك بیماران تحت مراقبت‌های ویژه، بیماران سرپایی با ریسك بالا، نوزادانی كه در معرض سندرم مرگ ناگهانی هستند و بسیاری بیماران دیگر كه در وضعیت اورژانس قرار دارند را در بیمارستان‌ها و سایر مركز درمانی دارند.‏
تله سنسور پزشكی یك تراشه ۲*۲ میلی‌متری و از جنس سیلیكون است. این تراشه شامل یك سنسور گرمایی و یك باتری نواری باریك لیتیم است و به مصرف توان كمی جهت راه‌اندازی مدار، پردازش سیگنال الكترونیكی و ارسال آن نیاز دارد. آنتن تعبیه شده بر روی تراشه، به هنگام گرفتن دستور ارسال داده، اطلاعات را توسط سیگنال‌های رادیویی (انتقال فركانسی رادیویی) به مانیتور ارسال می‌كند.
این تراشه به نام تله سنسور پزشكی ‏ASIC‏ معروف شده است و از یك مدار كامل با اهداف مسافت سنجی بهره می‌برد، به عبارت دیگر اندازه‌گیری اتوماتیك و انتقال اطلاعات از منابع راه دور به گیرنده‌ها به منظور ثبت و تجزیه و تحلیل داده‌ها.
بررسی سطح اكسیژن خون از دیگر كاربرد این تراشه‌هاست. با تغییر سطح اكسیژن خون، رنگ هموگلوبین آن نیز تغییر یافته و این تراشه‌ها با داشتن یك منبع و یك آشكارساز 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 كه برای تشخیص تغییرات فشار بدن طراحی شده‌اند، قابل اندازه‌گیری هستند.‏
امروزه تحقیقات در حال انجام بر روی فیبرهای نوری ساخته شده از سیلیكون سعی در پی بردن به یافته‌هایی درباره ویژگی‌های منحصر به فرد این تركیب‌ها دارند.
برخلاف فیبر شیشه‌ای، فیبر سیلیكونی انعطا‌ف‌پذیر است. به این مفهوم كه امكان فشردن و یا كشیدن آنها وجود داشته و جالب‌تر آنكه محاسبه میزان فشردگی و یا كشیدگی فیبر با گذراندن پرتو نور از درون آن میسر می‌گردد.
اگر یك فیبر سیلیكونی بر روی یك تراشه، میزان فشار در موقعـ‌یت های مختلف بدن را حس كند، می‌‌توان از این قابلیت برای نمایش میزان فشار خون، نرخ ضربان قلب، نرخ تنفس (انبساط قفسه سینه)، میزان خمیدگی زانو هنگام توانبخشی فیزیكی و بسیاری كاربردهای دیگر استفاده نمود.
از طرف دیگر بیماری‌هایی مانند دیابت، آلزایمر و همچنین عوامل اختلالات شیمیایی باعث تغییراتی در غلظت یون‌های فلزی بدن همچون كلسیم 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 یك مولكول هیبرید دست‌ساز، بیوسنسوری در حال ساخت است كه در آن فیبر نوری به مولكول هیبرید از یك طرف و نیم دیگر مولكول هیبرید به مولكول‌های كلسیم از طرف دیگر، اتصال یافته ا‌ند. با اتصال مولكول هیبرید به كلسیم، نور فلورسانس تابش شده و به این ترتیب، با برقراری ارتباط بین این مولكول به انتهای فیبرهای نوری بسیار كوچك، میزان یون‌های كلسیم در محلول قابل مقایسه خواهد بود و میزان تغییرات غلظت آن قابل ردیابی است.
‏انجام محاسبات مشابه در درون یك سلول زنده واحد از اهداف پژوهشگران در راستای طراحی و ساخت انواع تله سنسورهای پزشكی با قابلیت‌های جدید جهت تشخیص علائم حیاتی و گزارش آنها در كوتاه‌‌ترین زمان ممكن به مراكز درمانی مورد نظر است.
‏در همین راستا با توجه به جایگاه امروزی پزشكی از راه دور، سیستم‌های هوشمند شخصی پوشیدنی (‏Intelligent Wearable Personal Systems‏) با قابلیت مانیتورینگ پیوسته علائم حیاتی و بازخورد آن به كاربر، به طور قابل ملاحظه‌ای در پیشگیری، تشخیص به موقع،‌ كنترل و درمان بیماری مؤثر خواهند بود.
پیشرفت‌های صورت گرفته در راستای بحث میكروسنسورهای زیست پزشكی تا حد زیادی از یافته‌‌های تكنولوژیك همچون هوشمند بودن، سرعت بالا، ابعاد كوچك 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. ‏

نویسنده: علی معین
پست الکترونیکی: [e-mail]
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