تصور کنید برای بررسی بعضی از شاخص‌های سلامت قلب و عروق، دیگر به دستگاه‌های بزرگ، سیم‌های متعدد یا حسگرهای الکترونیکی پیچیده نیاز نداشته باشید؛ یک وصله کوچک و شفاف روی پوست قرار دهید، دوربین گوشی را مقابل آن بگیرید و اطلاعاتی درباره نبض و وضعیت انعطاف‌پذیری رگ‌ها به دست آورید.
این ایده دیگر صرفاً یک طرح مفهومی نیست. پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری نروژ (NTNU) نوعی وصله سیلیکونی انعطاف‌پذیر ساخته‌اند که با کمک دوربین معمولی تلفن همراه می‌تواند امواج نبض و سفتی رگ‌های خونی را بررسی کند.
نکته متفاوت این فناوری آن است که برخلاف بسیاری از ابزارهای پوشیدنی، به مدار الکترونیکی، باتری، کابل یا منبع تغذیه جداگانه نیاز ندارد. اما این وصله چگونه کار می‌کند و آیا می‌تواند در آینده به ابزاری برای پایش سلامت قلب در خانه تبدیل شود؟
این ابزار یک لایه نازک و انعطاف‌پذیر از جنس سیلیکون است که روی پوست قرار می‌گیرد. سطح آن با ساختارهای بسیار ریز مهندسی شده است تا هنگام کشیده‌شدن، تغییر رنگ قابل مشاهده‌ای ایجاد کند.
وقتی خون در رگ‌ها جریان پیدا می‌کند، با هر ضربان قلب تغییرات بسیار کوچکی در حجم خون و فشار واردشده به بافت اطراف ایجاد می‌شود. این تغییرات می‌توانند حرکت‌های ظریفی در سطح پوست به وجود آورند.
وصله جدید این حرکت‌های کوچک را به تغییرات رنگی قابل ثبت با دوربین تبدیل می‌کند. سپس با تحلیل تصاویر، می‌توان اطلاعاتی درباره شکل موج نبض و ویژگی‌های مکانیکی مرتبط با سفتی رگ‌ها استخراج کرد.
به بیان ساده، این فناوری حرکت بسیار ظریف پوست را به یک سیگنال تصویری تبدیل می‌کند تا اطلاعات قلبی‌عروقی از آن به دست آید.
عملکرد این فناوری بر پایه ترکیب سه بخش است:
یک طرف وصله دارای الگوی نانومقیاس است. این ساختار هنگام کشیده‌شدن، نحوه بازتاب نور را تغییر می‌دهد و در نتیجه رنگ سطح وصله نیز تغییر می‌کند.
این تغییر رنگ ممکن است بسیار ظریف باشد، اما دوربین گوشی می‌تواند آن را ثبت کند.
طرف دیگر وصله دارای ساختار چسبنده سه‌بعدی است که از مکنده‌های پای اختاپوس الهام گرفته شده است.
این طراحی کمک می‌کند وصله هنگام حرکت‌های کوچک پوست، اتصال مناسبی با سطح بدن داشته باشد و حرکت موردنظر را بهتر دریافت کند.
پس از قرارگرفتن وصله روی پوست، دوربین گوشی از آن فیلم‌برداری می‌کند. تغییرات رنگ در فریم‌های متوالی بررسی می‌شوند و از روی آن‌ها می‌توان الگوی موج نبض را استخراج کرد.
در این روش، گوشی نقش ابزار تصویربرداری و دریافت داده را دارد؛ خود وصله نیز مانند یک حسگر مکانیکی و نوری عمل می‌کند.
پژوهشگران این فناوری را برای بررسی دو شاخص مهم توسعه داده‌اند:
۱. ضربان و موج نبض
هر بار که قلب خون را به گردش درمی‌آورد، موجی در رگ‌ها ایجاد می‌شود. ثبت شکل این موج می‌تواند اطلاعاتی درباره زمان‌بندی و ویژگی‌های نبض ارائه دهد.
۲. سفتی رگ‌های خونی
رگ‌های سالم برای عبور خون باید خاصیت ارتجاعی مناسبی داشته باشند. با افزایش سن یا در برخی شرایط مرتبط با سلامت قلب و عروق، ویژگی‌های مکانیکی دیواره رگ‌ها ممکن است تغییر کند.
سفتی شریان‌ها یکی از شاخص‌های مورد توجه در ارزیابی سلامت قلبی‌عروقی است. تحلیل دقیق شکل موج نبض می‌تواند به بررسی ویژگی‌های مرتبط با این شاخص کمک کند.
البته باید توجه داشت که اندازه‌گیری سفتی رگ‌ها موضوعی تخصصی است و نتیجه یک وصله آزمایشی را نمی‌توان بدون اعتبارسنجی بالینی، معادل تشخیص پزشکی دانست.
طبق گزارش منتشرشده درباره پژوهش NTNU، این وصله در آزمایش‌هایی با مشارکت ۱۳ داوطلب بررسی شده است.
برخی نتایج گزارش‌شده عبارت‌اند از:
ثبت موج‌های نبض با استفاده از دوربین تلفن همراه
تطابق نزدیک سیگنال‌های ثبت‌شده با اندازه‌گیری‌های مرجع بالینی
پاسخ رنگی قابل اندازه‌گیری هنگام کشیده‌شدن لایه سیلیکونی
حفظ عملکرد مکانیکی در دست‌کم ۱۰۰۰ چرخه تنش
بهبود چسبندگی ساختار الهام‌گرفته از مکنده اختاپوس نسبت به سطح صاف سیلیکونی
در یکی از آزمایش‌ها، کشیده‌شدن فیلم به میزان ۲ درصد با تغییر ۹ درصدی شدت رنگ همراه بوده است. همچنین ساختار چسبنده طراحی‌شده، چسبندگی را در مقایسه با سطح صاف سیلیکونی ۶۵ درصد افزایش داده است.
این نتایج امیدوارکننده‌اند، اما تعداد شرکت‌کنندگان در آزمایش انسانی محدود بوده است. برای استفاده گسترده پزشکی، آزمایش‌های بزرگ‌تر و بررسی عملکرد در شرایط واقعی ضروری خواهد بود.
یکی از موانع گسترش فناوری‌های پایش سلامت، نیاز به تجهیزات اختصاصی و گران‌قیمت است.
این وصله تلاش می‌کند بخشی از این محدودیت را کاهش دهد. تقریباً همه گوشی‌های هوشمند امروزی دوربین دارند و می‌توان از آن‌ها برای ثبت تغییرات تصویری استفاده کرد.
مزیت‌های احتمالی این روش عبارت‌اند از:
کاهش نیاز به حسگرهای الکترونیکی پیچیده
حذف باتری و سیم از خود وصله
امکان ثبت داده در محیط خارج از بیمارستان
طراحی انعطاف‌پذیر و سبک
قابلیت بررسی اطلاعات با دوربین گوشی
امکان توسعه ابزارهای پایش سلامت قابل حمل
البته نبود مدار الکترونیکی به معنی بی‌نیازی کامل از تجهیزات یا نرم‌افزار نیست. برای استخراج اطلاعات معتبر، همچنان به دوربین مناسب، پردازش تصویر و الگوریتم‌های تحلیل داده نیاز است.
ساعت‌های هوشمند معمولاً از حسگرهای نوری برای بررسی تغییرات حجم خون در بافت پوست استفاده می‌کنند. این روش که فوتوپلتیسموگرافی یا PPG نام دارد، در بسیاری از ساعت‌ها برای تخمین ضربان قلب استفاده می‌شود.
اما وصله جدید از سازوکار متفاوتی بهره می‌برد. در این فناوری، حرکت مکانیکی پوست باعث تغییر شکل ساختار نانویی و تغییر رنگ آن می‌شود.
ویژگیساعت هوشمندوصله سیلیکونی جدیدروش اندازه‌گیریحسگر نوری PPGتغییرات مکانیکی و رنگینیاز به باتریبلهخود وصله به باتری نیاز نداردمحل استفادهمعمولاً مچ دستمحل قرارگیری روی پوستنمایش دادهاز طریق نمایشگر یا برنامهبا تصویربرداری و تحلیل دادهوضعیت کاربردمحصولات تجاری متعددفناوری پژوهشی و آزمایشی
این دو فناوری الزاماً جایگزین یکدیگر نیستند. هرکدام روش اندازه‌گیری، محدودیت‌ها و کاربردهای متفاوتی دارند.
در حال حاضر، نباید چنین انتظاری از آن داشت.
اندازه‌گیری موج نبض و بررسی ویژگی‌های مرتبط با سفتی رگ‌ها می‌تواند در آینده برای پایش سلامت قلب و عروق مفید باشد، اما تشخیص بیماری به اطلاعات بیشتری نیاز دارد.
برای مثال، ارزیابی بیماری‌های قلبی ممکن است به آزمایش خون، نوار قلب، تصویربرداری، اندازه‌گیری فشار خون و بررسی سوابق پزشکی نیاز داشته باشد.
بنابراین این وصله را فعلاً باید یک فناوری پژوهشی برای پایش برخی شاخص‌های فیزیولوژیک دانست، نه وسیله‌ای که بتواند به‌تنهایی بیماری قلبی را تشخیص دهد.
با وجود طراحی جالب این ابزار، برای تبدیل‌شدن آن به یک محصول پزشکی قابل استفاده عمومی، چند موضوع باید بررسی شود:
۱. دقت در شرایط واقعی: حرکت بدن، نور محیط و نحوه قرارگیری وصله ممکن است بر کیفیت تصاویر تأثیر بگذارد.
۲. تفاوت‌های فردی: ویژگی‌های پوست، محل قرارگیری وصله و تفاوت‌های فیزیولوژیک افراد باید در آزمایش‌های گسترده بررسی شوند.
۳. اعتبارسنجی بالینی: لازم است نتایج در جمعیت‌های بزرگ‌تر و در مقایسه با روش‌های استاندارد پزشکی ارزیابی شوند.
۴. دوام و استفاده مکرر: باید مشخص شود وصله پس از استفاده طولانی‌مدت، تماس با عرق و شست‌وشو چه عملکردی خواهد داشت.
۵. پردازش و امنیت اطلاعات: تصاویر ثبت‌شده و داده‌های سلامت باید با رعایت اصول حریم خصوصی ذخیره و پردازش شوند.
۶. دسترسی به نرم‌افزار: برای تبدیل تصاویر به اطلاعات قابل استفاده، نرم‌افزار و الگوریتم‌های معتبر لازم است.
این فناوری بخشی از روند گسترده‌تری است که در آن گوشی‌های هوشمند از ابزارهای ارتباطی به ابزارهای کمکی پایش سلامت تبدیل می‌شوند.
پیش از این نیز پژوهش‌هایی درباره اندازه‌گیری ضربان قلب با دوربین گوشی انجام شده است. برای نمونه، گوگل در پژوهشی منتشرشده در مجله Nature در سال ۲۰۲۶، سامانه‌ای برای تخمین ضربان قلب و ضربان قلب در حالت استراحت با استفاده از ویدئوی دوربین جلویی گوشی معرفی کرد.
تفاوت وصله جدید این است که به‌جای تحلیل مستقیم تغییرات نوری پوست، از یک لایه مکانیکی و نانوفوتونیکی برای تبدیل حرکت نبض به تغییر رنگ قابل مشاهده استفاده می‌کند.
اگر این روش در آزمایش‌های آینده نیز نتایج قابل اعتمادی ارائه دهد، می‌تواند راه تازه‌ای برای توسعه ابزارهای قابل حمل پایش قلب و عروق ایجاد کند.
آیا این وصله به باتری نیاز دارد؟
خود وصله از قطعات الکترونیکی یا باتری استفاده نمی‌کند. دوربین گوشی برای ثبت تغییرات رنگی آن به کار می‌رود.
آیا با هر گوشی هوشمندی کار می‌کند؟
در پژوهش، از دوربین تلفن همراه معمولی برای ثبت تصاویر استفاده شده است؛ اما سازگاری با تمام مدل‌ها و گوشی‌ها به نرم‌افزار، کیفیت دوربین و شرایط تصویربرداری بستگی دارد.
آیا می‌تواند فشار خون را اندازه‌گیری کند؟
نتایج معرفی‌شده بر اندازه‌گیری موج نبض و بررسی سفتی رگ‌ها تمرکز دارند. نباید قابلیت اندازه‌گیری دقیق فشار خون را بدون شواهد و اعتبارسنجی مستقل به این فناوری نسبت داد.
آیا این محصول اکنون برای خرید در دسترس است؟
این فناوری در مرحله پژوهش و آزمایش معرفی شده است و نباید آن را با یک محصول پزشکی تجاری و تأییدشده اشتباه گرفت.
وصله سیلیکونی توسعه‌یافته در دانشگاه NTNU نمونه‌ای جالب از ترکیب علم مواد، فناوری نانو و تصویربرداری با تلفن همراه است. این ابزار با تبدیل حرکت‌های بسیار کوچک پوست به تغییرات رنگی، امکان بررسی موج نبض و ویژگی‌های مرتبط با سفتی رگ‌ها را فراهم می‌کند.
مهم‌ترین ویژگی آن، طراحی بدون مدار الکترونیکی و استفاده از دوربین معمولی گوشی است. با این حال، هنوز به آزمایش‌های بیشتر، اعتبارسنجی بالینی و توسعه نرم‌افزار نیاز دارد تا بتوان درباره کاربرد پزشکی گسترده آن قضاوت کرد.
شاید در آینده گوشی هوشمند ما فقط وسیله‌ای برای تماس و عکاسی نباشد و در کنار ابزارهای پوشیدنی، نقش بیشتری در پایش سلامت روزمره ایفا کند.
برای دنبال‌کردن تازه‌ترین فناوری‌های پزشکی، گجت‌های هوشمند و نوآوری‌های علمی، مطالب مجله اوپاکالا را دنبال کنید.
مجله اوپاکالا
