حلقه هوشمند CHARM؛ تحلیل عرق بدن روی انگشت برای پایش لحظه‌ای سلامت

به گزارش مدیاتی:حلقه‌های هوشمند در حال تبدیل‌شدن به یکی از ابزارهای جذاب برای پایش وضعیت سلامت هستند و CHARM با رویکردی متفاوت، قابلیت تحلیل عرق بدن را به انگشت کاربر می‌آورد. این حلقه هوشمند با بهره‌گیری از حسگرهای کوچک، ترکیبات موجود در عرق را بررسی می‌کند و می‌تواند اطلاعاتی درباره برخی شاخص‌های مرتبط با وضعیت بدن ارائه دهد. این فناوری با هدف فراهم‌کردن پایش ساده‌تر و کم‌دردسرتر طراحی شده و می‌تواند مسیر تازه‌ای برای توسعه ابزارهای پوشیدنی سلامت‌محور باز کند.

حلقه هوشمند CHARM؛ آزمایشگاه کوچکی روی انگشت که عرق بدن را برای پایش سلامت تحلیل می‌کند

حلقه‌های هوشمند تاکنون بیشتر بر ضربان قلب، خواب، سطح اکسیژن خون و دیگر شاخص‌های مرتبط با عملکرد قلب و بدن تمرکز داشته‌اند؛ اما پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو (UC San Diego) در حال توسعه فناوری متفاوتی هستند که می‌تواند آینده گجت‌های پوشیدنی را متحول کند. این تیم حلقه هوشمندی ساخته است که می‌تواند با تحلیل عرق بدن، چندین نشانگر زیستی (Biomarker) را به‌صورت هم‌زمان و پیوسته اندازه‌گیری کند.

ما اکنون وارد دوره‌ای شده‌ایم که کاربران گجت‌های پوشیدنی تنها به داده‌های خام ساعت هوشمند یا حلقه خود اکتفا نمی‌کنند و با کمک ابزارهای هوش مصنوعی تلاش دارند اطلاعات بیشتری درباره وضعیت بدنشان به دست آورند. بااین‌حال، حسگرهای نوری مورد استفاده در اغلب پوشیدنی‌های امروزی همچنان محدودیت‌هایی دارند.

این حسگرها طی سال‌های گذشته از اندازه‌گیری ضربان قلب به قابلیت‌هایی مانند ثبت نوار قلب (ECG)، تغییرات فشار خون، دمای بدن و سطح اکسیژن خون رسیده‌اند؛ اما برای بررسی مستقیم بسیاری از فرایندهای بیوشیمیایی بدن همچنان به تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی نیاز است.

در همین نقطه، عرق بدن می‌تواند به یکی از مهم‌ترین منابع اطلاعاتی برای نسل آینده گجت‌های پوشیدنی تبدیل شود.

چرا عرق بدن اهمیت دارد؟

خون تنها منبع اطلاعات زیستی بدن نیست. مایعاتی مانند بزاق، ادرار، اشک و مایع مغزی-نخاعی نیز می‌توانند اطلاعات ارزشمندی درباره وضعیت سلامت انسان ارائه دهند. بااین‌حال، عرق به دلیل دسترسی آسان و امکان جمع‌آوری غیرتهاجمی، سال‌هاست به‌عنوان یکی از گزینه‌های جذاب برای توسعه فناوری‌های زیستی پوشیدنی مورد توجه قرار دارد.

چالش اصلی، کوچک‌سازی تجهیزات لازم برای تحلیل شیمیایی عرق است. برای چنین کاری معمولاً به مجموعه‌ای از حسگرها و سامانه‌های میکروسیالی (Microfluidics) نیاز است؛ یعنی فناوری‌هایی که امکان جابه‌جایی و تحلیل حجم بسیار کمی از مایعات را فراهم می‌کنند.

پژوهشگران پیش‌تر نیز موفق شده‌اند پچ‌های پوستی بسازند که می‌توانند برخی مواد موجود در عرق، از جمله کلسترول، را اندازه‌گیری کنند. اما قرار دادن مجموعه‌ای از حسگرها و تجهیزات لازم در وسیله‌ای به کوچکی یک حلقه هوشمند که بتواند چندین ماده شیمیایی را به‌صورت مداوم بررسی کند، چالش بسیار بزرگ‌تری محسوب می‌شود.

CHARM؛ آزمایشگاه شیمیایی روی انگشت

تیم پژوهشی به سرپرستی Tamoghana Saha در دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو، حلقه‌ای به نام Continuous Health Analyzing Ring Module یا CHARM توسعه داده است.

این حلقه می‌تواند با بررسی عرق بدن، سطح گلوکز، کتون‌ها، ویتامین C، اسید اوریک، لاکتات و الکل را اندازه‌گیری کند.

نکته مهم این است که CHARM تنها یک نمونه عرق را در یک لحظه بررسی نمی‌کند. این حلقه می‌تواند به‌مدت حدود ۱۲ ساعت با هر بار شارژ به‌صورت مداوم عرق را تحلیل کند و سیستم کالیبراسیون آن نیز تا حدود دو ماه پایدار باقی بماند.

پژوهشگران تأکید می‌کنند که CHARM هنوز یک محصول تجاری نهایی نیست. نمونه فعلی نسبتاً حجیم است، ضدآب نیست، برای استفاده بالینی روی طیف گسترده‌ای از انسان‌ها اعتبارسنجی نشده و فعلاً امکان پایش چندروزه را ندارد.

با وجود این محدودیت‌ها، ساخت چنین حلقه‌ای نشان می‌دهد تحلیل شیمیایی عرق در ابعادی بسیار کوچک و روی انگشت امکان‌پذیر است؛ موضوعی که می‌تواند مسیر جدیدی را برای توسعه حلقه‌های هوشمند آینده باز کند.

هرکدام از این نشانگرهای زیستی چه اطلاعاتی ارائه می‌کنند؟

گلوکز، کتون‌ها، ویتامین C، اسید اوریک، لاکتات و الکل هرکدام می‌توانند اطلاعات متفاوتی درباره وضعیت بدن ارائه دهند.

گلوکز: می‌تواند برای بررسی تغییرات قند خون و وضعیت‌هایی مانند دیابت نوع یک و نوع دو، مقاومت به انسولین و اختلالات متابولیکی مورد استفاده قرار گیرد.

کتون‌ها: اندازه‌گیری آن‌ها می‌تواند در بررسی کتواسیدوز دیابتی و همچنین پیگیری وضعیت کتوز تغذیه‌ای در رژیم‌های کتوژنیک، روزه‌داری یا فعالیت‌های استقامتی مفید باشد.

ویتامین C: سطح این ماده می‌تواند اطلاعاتی درباره وضعیت تغذیه‌ای بدن و کمبود ویتامین C ارائه کند و با فرایندهایی مانند عملکرد سیستم ایمنی، تولید کلاژن و ترمیم زخم ارتباط دارد.

اسید اوریک: این نشانگر با متابولیسم پورین، نقرس و هایپراوریسمی ارتباط دارد و می‌تواند در بررسی برخی شاخص‌های مرتبط با سلامت قلب و کلیه نیز مورد توجه قرار گیرد.

لاکتات: اندازه‌گیری لاکتات برای ورزشکاران اهمیت زیادی دارد و می‌تواند در ارزیابی شدت تمرین، آستانه بی‌هوازی و خستگی عضلانی کاربرد داشته باشد. این ماده در برخی شرایط بالینی نیز یک نشانگر مهم محسوب می‌شود.

الکل: تحلیل الکل موجود در عرق می‌تواند به بررسی دفع اتانول از طریق پوست و برآورد سطح الکل خون کمک کند.

البته این موارد به معنای آن نیست که CHARM در شرایط فعلی می‌تواند جایگزین آزمایش‌های پزشکی شود. کاربردهای ذکرشده، ظرفیت بالقوه این فناوری را نشان می‌دهند و برای استفاده پزشکی به مطالعات و اعتبارسنجی‌های بیشتری نیاز است.

چرا تحلیل عرق بهتر از حسگرهای نوری است؟

بسیاری از حلقه‌ها و ساعت‌های هوشمند امروزی با استفاده از حسگرهای نوری اطلاعاتی را از جریان خون زیر پوست استخراج می‌کنند. این روش طی سال‌های اخیر پیشرفت زیادی داشته، اما تیم دانشگاه سن‌دیگو معتقد است تحلیل مستقیم عرق می‌تواند اطلاعات شیمیایی متفاوت و گسترده‌تری در اختیار کاربران قرار دهد.

Tamoghana Saha می‌گوید هدف اصلی پروژه، بررسی کاربرد فناوری در حوزه‌هایی مانند تغذیه و دیابت بوده است. به گفته او، سازوکار اندازه‌گیری بسیاری از نشانگرهای زیستی به‌صورت جداگانه شناخته شده است و چالش اصلی این پروژه، کوچک‌سازی تجهیزات و قرار دادن تمام حسگرهای موردنیاز در ابعاد یک حلقه بوده است.

یکی از دستاوردهای مهم پژوهش نیز این است که مشخص شده بخش کوچکی از انگشت می‌تواند برای تحلیل عرق کافی باشد. بنابراین برای جمع‌آوری عرق لزوماً نیازی به استفاده از پچ‌های بزرگ روی بازو، ران یا کمر نیست.

استخراج عرق بدون ورزش یا تحریک شیمیایی

یکی دیگر از ویژگی‌های CHARM، روش جمع‌آوری عرق است. برخی فناوری‌های پوشیدنی مبتنی بر عرق تنها هنگام ورزش فعال می‌شوند یا از تحریک شیمیایی برای ایجاد تعریق استفاده می‌کنند.

اما CHARM از عرق‌گیری غیرفعال استفاده می‌کند. در ساختار این حلقه، یک محفظه دایره‌ای کوچک حاوی هیدروژل وجود دارد که با استفاده از اختلاف فشار اسمزی، عرق را از سطح پوست خارج می‌کند.

در این روش، هیدروژل مانند یک پمپ غیرفعال عمل می‌کند و برای استخراج عرق به انرژی الکتریکی نیاز ندارد. خود حلقه نیز به یک باتری قابل شارژ مجهز است که می‌تواند حدود ۱۲ ساعت با هر بار شارژ کار کند.

دقت CHARM چقدر است؟

یکی از مهم‌ترین پرسش‌ها درباره چنین فناوری‌هایی، دقت اندازه‌گیری است. تیم پژوهشی CHARM عملکرد حلقه را با دستگاه‌های تجاری اندازه‌گیری قند خون و سیستم‌های پایش مداوم گلوکز (CGM) مقایسه کرده است.

اندازه‌گیری‌ها در شرایط مختلفی انجام شده‌اند؛ از جمله پس از مصرف نوشیدنی الکلی، خوردن آب‌نبات و صرف وعده غذایی. هدف از این آزمایش‌ها بررسی تغییرات نشانگرهایی مانند گلوکز، لاکتات و الکل بوده است.

بر اساس نتایج ارائه‌شده توسط تیم پژوهشی، CHARM در مقایسه با تجهیزات مورد استفاده در محیط‌های بالینی، خطای نسبتاً پایینی داشته و توانسته افزایش و کاهش سطح نشانگرهای زیستی را با قابلیت اطمینان مناسبی ثبت کند.

همچنین تمامی داده‌های ثبت‌شده در مناطق A و B نمودار خطای بالینی (Clinical Error Grid) قرار گرفته‌اند؛ معیاری که برای ارزیابی دقت برخی ابزارهای اندازه‌گیری پزشکی استفاده می‌شود. قرار گرفتن نتایج در این محدوده به این معناست که داده‌ها یا دقیق بوده‌اند یا در صورت وجود خطا، در محدوده‌ای قرار داشته‌اند که احتمال آسیب ناشی از آن پایین است.

بااین‌حال، این نتایج به‌تنهایی برای تبدیل CHARM به یک ابزار پزشکی تأییدشده کافی نیست و مطالعات بالینی گسترده‌تری لازم خواهد بود.

استفاده از میکروسیال کاغذی برای کاهش هزینه و گرفتگی

تیم پژوهشی برای ساخت سامانه تحلیل عرق از میکروسیال کاغذی استفاده کرده است، نه معماری سنتی کانال‌های میکروسیالی.

به گفته Saha، سامانه‌های میکروسیالی معمولی ممکن است با مشکل تجمع نمک و گرفتگی مواجه شوند. استفاده از ساختار کاغذی می‌تواند علاوه بر کاهش این مشکلات، هزینه ساخت را نیز پایین بیاورد.

در این ساختار، هیدروژل همچنان نقش پمپ غیرفعال را ایفا می‌کند و عرق را بدون مصرف انرژی به سمت بخش تحلیل‌کننده هدایت می‌کند.

CHARM هنوز آماده ورود به بازار نیست

با وجود نتایج امیدوارکننده، CHARM همچنان در مرحله تحقیق و توسعه قرار دارد. یکی از مهم‌ترین مراحل پیش رو، انجام مطالعات بالینی گسترده روی گروه‌های مختلف بیماران است.

تیم سازنده همچنین قصد دارد تعداد نشانگرهای زیستی قابل اندازه‌گیری را افزایش دهد. ضدآب کردن حلقه، بهبود طراحی لولا، استفاده از قطعات ماژولار قابل تعویض، ارتقای باتری و فراهم کردن امکان پایش چندروزه از دیگر اهداف توسعه این فناوری هستند.

در طراحی فعلی، حلقه ساختاری نسبتاً باز دارد؛ اما پژوهشگران امیدوارند در نسخه‌های آینده به طراحی کاملاً بسته و مشابه حلقه‌های هوشمند تجاری دست پیدا کنند.

ترکیب حسگرهای نوری و شیمیایی؛ گام بعدی

یکی از جذاب‌ترین مسیرهای احتمالی برای نسل بعدی این فناوری، ترکیب حسگرهای نوری با سامانه میکروسیالی و شیمیایی در یک حلقه واحد است.

Saha معتقد است چنین رویکردی از نظر فنی امکان‌پذیر است و شاید طی یک یا دو سال آینده نمونه‌هایی از آن را ببینیم. تیم دانشگاه سن‌دیگو این ایده را یک حلقه هیبریدی چندوجهی شیمیایی-فیزیکی توصیف می‌کند.

هدف نهایی، ساخت یک پلتفرم پوشیدنی کاربردی و ساده برای پایش هم‌زمان چندین نشانگر زیستی است؛ پلتفرمی که از نظر ظاهری همچنان یک حلقه هوشمند معمولی به نظر برسد.

آیا CHARM می‌تواند در بیمارستان استفاده شود؟

کاربرد این فناوری تنها به کاربران عادی محدود نمی‌شود. به گفته Saha، چنین حلقه‌ای در آینده می‌تواند در محیط‌های درمانی نیز کاربرد داشته باشد.

برای مثال، لاکتات یکی از نشانگرهای مهم در بیماران مبتلا به سپسیس است. در چنین شرایطی، پایش مداوم تغییرات لاکتات می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره وضعیت بیمار ارائه کند.

در آینده، به‌جای استفاده از مجموعه‌ای از سیم‌ها و تجهیزات حجیم، یک حلقه هوشمند مانند CHARM می‌تواند به‌صورت مداوم برخی شاخص‌های زیستی را ثبت و در صورت مشاهده تغییرات نگران‌کننده، هشدار ارسال کند.

البته چنین کاربردی تنها پس از انجام مطالعات بالینی و دریافت مجوزهای لازم امکان‌پذیر خواهد بود.

قابلیت تعمیر و ارتقا؛ نقطه قوت مهم CHARM

یکی از مشکلات حلقه‌های هوشمند امروزی، دشواری تعمیر و ارتقای آن‌هاست. از آنجا که بسیاری از این محصولات ساختاری یکپارچه دارند، در صورت خرابی حسگر یا باتری، تعمیر دستگاه ممکن است عملاً امکان‌پذیر نباشد و کاربر مجبور به تعویض کل محصول شود.

تیم CHARM از ابتدا تعمیرپذیری و قابلیت ارتقا را به‌عنوان یکی از اصول طراحی در نظر گرفته است.

پژوهشگران قصد دارند در نسخه‌های آینده از قطعات ماژولار قابل تعویض استفاده کنند تا در صورت نیاز بتوان بخش‌های مختلف حلقه را تعویض یا ارتقا داد. استفاده از باتری قابل شارژ و افزایش دوام سیستم برای پایش چندروزه نیز بخشی از برنامه توسعه این فناوری است.

آینده حلقه‌های هوشمند از قلب فراتر می‌رود

CHARM هنوز یک محصول تجاری نیست و برای رسیدن به بازار به سال‌ها تحقیق، آزمایش بالینی و اعتبارسنجی خارجی نیاز دارد. با این حال، این پروژه یک نکته مهم را اثبات کرده است: تحلیل شیمیایی عرق با استفاده از یک وسیله بسیار کوچک و پوشیدنی روی انگشت امکان‌پذیر است.

در صورت تکمیل این فناوری، حلقه‌های هوشمند آینده می‌توانند علاوه بر اندازه‌گیری شاخص‌های غیرمستقیم سلامت، مستقیماً به سراغ اطلاعات شیمیایی بدن بروند و داده‌هایی درباره وضعیت متابولیک، تغذیه، فعالیت ورزشی و برخی شرایط پزشکی ارائه دهند.

بااین‌حال، فاصله میان یک نمونه آزمایشگاهی موفق و یک ابزار پزشکی قابل اعتماد و تجاری بسیار زیاد است. بنابراین فعلاً باید CHARM را یک نمونه اثبات مفهوم امیدوارکننده دانست، نه جایگزینی برای آزمایش‌های پزشکی یا تجهیزات تشخیصی استاندارد.