Наше носимое будущее, часть 1: Как будут выглядеть новые технологии?

Джерилин Коверт

Это первая из двух частей серии статей о будущем носимых технологий. Во второй части рассматриваются невероятные достижения в области энергетики и электроники, которые обеспечат работу будущих носимых устройств.

23 августа 2022 г. - Майкл Снайдер каждый день носит на своем теле восемь датчиков, включая два смарт-часа на каждом запястье.

Перебор? Нет. Он генетик, изучающий способы отслеживания состояния здоровья людей с помощью носимых устройств - относительно нового термина для обозначения устройств, которые мы носим на коже или рядом с ней для измерения чего угодно, от частоты сердечных сокращений до количества ступенек, которые мы преодолеваем каждый день.

На самом деле, было бы странно, если бы он не усердствовал с электронными аксессуарами. Он является директором Стэнфордского центра геномики и персонализированной медицины и одним из первых показал, как смарт-часы могут выявлять инфекционные заболевания. Вот пример: Снайдер однажды использовал смарт-часы для обнаружения собственной болезни Лайма до того, как у него появились симптомы.

Это лишь проблеск того, на что скоро будут способны носимые устройства для всех нас.

Конечно, мы уже сегодня имеем представление об этом будущем. Мы живем в эпоху, когда часы подсчитывают количество сожженных калорий, брюки фиксируют позу йоги, а очки отображают уведомления прямо перед глазами.

Но завтрашние носимые устройства будут не просто дополнять ваши тренировки или мобильный телефон - они будут предупреждать вас о приближающейся болезни, управлять хроническими заболеваниями и помогать врачам подбирать лечение с учетом уникальных потребностей каждого пациента.

И что самое приятное, они будут делать все это вне клиники, чтобы вы могли потратить это время на работу, общение или жизнь.

Добро пожаловать в наше носимое будущее.

Сегодняшние технологии "каменного века" намекают на завтрашние медицинские чудеса

Научная фантастика уже несколько десятилетий обещает нам новые крутые штуки на нашей коже, но как на самом деле будут выглядеть наши носимые устройства и что они смогут делать? Будущее набирает обороты благодаря достижениям в области материалов, датчиков и источников питания, нацеленных на создание носимых устройств нового поколения, которые будут решать две основные задачи: Быть менее навязчивыми и более надежными.

На самом деле, этот смелый новый мир носимых устройств находится на разных стадиях развития, и некоторые из них вы можете купить уже сейчас.

Умные часы измеряют пульс и режим сна - новые приложения могут использовать эти данные, чтобы обнаружить инфекцию COVID-19 раньше вас. Облегающая рубашка может постоянно измерять ваши жизненно важные показатели в режиме реального времени. А кожный пластырь на тыльной стороне руки может измерять уровень глюкозы 24 часа в сутки, без необходимости уколов пальца - вы можете в реальном времени видеть, как ваш рацион влияет на уровень сахара в крови, что дает вам индивидуальную дорожную карту, как питаться.

Другие продвигаются дальше, стремясь сделать носимые устройства удобными для нашей повседневной жизни, уменьшая их размеры, делая их более гибкими, растяжимыми и даже моющимися.

Будущие носимые устройства могут стать "невидимыми", сливаясь с вашей одеждой или подстраиваясь под ваше тело, говорит Вина Мисра, доктор философии, директор финансируемого из федерального бюджета центра ASSIST, который объединяет исследователей из Университета штата Северная Каролина и партнерских учреждений для создания носимых медицинских устройств нового поколения.

Представьте себе обычную на вид рубашку с невидимыми датчиками, вшитыми в ткань, или устройство настолько маленькое, что оно может спрятаться под ногтем - или даже внутри вас (это не кардиостимулятор вашей бабушки).

"Когда носимые устройства смогут быть очень тонкими и напоминать кожу, они станут более полезными и эффективными", - говорит Мисра.

Тем не менее, успех не гарантирован. Разработать такую технологию, говоря техническим языком, очень сложно. Даже если научные разработки пройдут успешно, на пути к клиническому и коммерческому использованию останется множество препятствий. Хотя вокруг носимых устройств наблюдается большой ажиотаж, мы все знаем, что шумиха вокруг новой технологии не всегда предсказывает размер рынка. (Просто спросите любого человека, все еще носящего Google Glass, если найдете такого). А глобальная компания IDC, занимающаяся анализом рынка, сообщила о снижении рынка носимых устройств в первом квартале 2022 года.

Несмотря на трудности, исследователи продолжают стремиться к тому, чтобы независимо от того, какие устройства станут ключом к нашему будущему здравоохранению, мы носили их хорошо.

Почему именно носимые устройства?

"Большие данные" в здравоохранении и медицине имеют положительное значение. Поскольку машинное обучение, искусственный интеллект (ИИ) и аналитика данных развиваются, чтобы использовать всю мощь этих данных, носимые устройства являются идеальным средством для их сбора.

Эти достижения "симбиотичны", - говорит Майкл Даниэль, доктор философии, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина. "Если мы сделаем носимые устройства правильно, они будут предоставлять качественные данные, которые затем можно будет использовать в конвейере машинного обучения - ИИ - больших данных". Аналогичным образом, эти данные ничего не стоят без инструментов для их преобразования в информацию, говорит он.

В отличие от традиционных методов, которые вы, скорее всего, используете только при посещении врача, возможно, один или два раза в год, носимые устройства можно надевать в любом месте и в любое время, постоянно отслеживая данные и выявляя тенденции в состоянии здоровья. Это может помочь врачам "заполнить пробелы" при постановке диагноза или прогноза, говорит Даниэле. "Это дает врачам еще одну стрелу в колчане".

Это также расширяет возможности вас, обычного человека, предоставляя вам информацию о вашем организме в режиме реального времени. Непрерывный мониторинг обеспечивает исходный уровень - а исходный уровень уникален для вас - выявляет проблемы и предупреждает о неблагоприятных событиях.

Поэтому Снайдер заметил болезнь Лайма еще до того, как почувствовал ее.

"Вы же не ездите на машине без приборной панели", - говорит он. "Я бы сказал, что так же безумно ездить без монитора здоровья".

Исследования показывают, что смарт-часы с ЭКГ могут диагностировать фибрилляцию предсердий (ФП) с удивительной точностью (и некоторые крупные бренды уже получили одобрение FDA на функции ФП), и в один прекрасный день они могут оказаться полезными и для предупреждения сердечных приступов.

Снайдер и его команда разработали приложение, которое в паре со смарт-часами позволяет обнаружить инфекцию и болезнь.

"Теперь мы можем определить наличие COVID в 80% случаев до появления симптомов", - говорит он. "Средний показатель составляет 3 дня до появления симптомов".

Он надеется масштабировать эту технологию в течение 5 лет, сделав ее доступной для каждого человека. "У 3,8 миллиарда человек есть смартфон", - говорит он. "Все, что вам нужно сделать, это соединить его со смарт-часами, и вы получите монитор здоровья для 3,8 миллиарда человек".

Как будут выглядеть носимые устройства будущего?

Конечно, прежде чем носимые устройства изменят мир, мы должны быть готовы их носить.

Это означает, что устройства не будут кричать "Эй, у меня проблемы со здоровьем!". Удобство также является ключевым фактором - чем меньше нам придется управлять и взаимодействовать с ними, тем лучше. Мы ощущаем эти ограничения уже сегодня.

"У меня есть часы Apple, но общее количество часов в неделю, когда я их ношу, не превышает 20", - говорит Альпер Бозкурт, доктор философии, профессор электротехники и вычислительной техники в NC State. "Одна из причин - мне нужно постоянно заряжать их, а я постоянно забываю их на зарядном устройстве. Я прихожу в офис и говорю: "Боже, я забыл свои часы"".

Будущие носимые устройства будут "надел и забыл", - говорит Бозкурт. Вы просто надеваете часы, и они исчезают на заднем плане, их не нужно подзаряжать или даже думать о них.

Что мы увидим:

Умные ювелирные изделия

У нас уже есть электронные часы и кольца, а в будущем появятся и другие "умные" украшения (например, серьги). Но если говорить о потребительском спросе, то часы и наручные браслеты кажутся наиболее привлекательными с точки зрения стиля. А учитывая их популярность - по данным компании Gartner, занимающейся техническими исследованиями и консалтингом, в 2021 году будет поставлено около 200 миллионов изделий, - ежегодный выпуск "новой модели" имеет еще больший маркетинговый смысл.

Тем не менее, по мере развития мягкой электроники, носимые на запястье устройства могут стать тоньше и когда-нибудь будут напоминать кусок ленты, намотанный на запястье, говорит Даниэль.

Одежда

По словам Джесси Джура, доктора философии, директора по экосистемным технологиям компании Advanced Functional Fabrics of America, одежда может быть полезной для размещения электроники и датчиков на больших участках тела. Например, "треугольник Эйнтховена, который может четко получить сигнал электрокардиограммы", - говорит он, имея в виду стандартное расположение отведений по всему телу для ЭКГ.

Тем не менее, мониторинг может быть ограничен по очень простой человеческой причине, говорит Юр: Мы меняем свою одежду.

Многие компании специализируются на спортивной одежде. Athos предлагает "умную" одежду, которая определяет мышечную активность во время тренировки. Sensoria Health предлагает верхнюю одежду, измеряющую частоту сердечных сокращений, и носки, измеряющие походку и удар стопы.

Другие области применения могут перейти от потребительского к клиническому использованию. Монреальская компания Hexoskin продает рубашки, которые отслеживают частоту сердечных сокращений и состояние дыхания. Калифорнийская компания Biotricity предлагает нагрудный ремень со своей одобренной FDA системой мониторинга сердца для кардиологических пациентов, а развивающаяся компания Nanowear предлагает одобренный FDA ремень, который фиксирует 85+ биомаркеров в режиме реального времени.

Сегодня "умная" одежда, как правило, включает съемные детали (микроконтроллер, аккумулятор), но по мере развития этой области они могут быть интегрированы в одежду, говорит Джур. Их также можно будет стирать.

Предмет одежды зависит от того, что вы хотите измерить. Но для получения информации изнутри тела обязательно нужна компрессия. Возможны рубашки, шорты, нижнее белье, бюстгальтеры, повязки на голову, черепные коробки и нарукавники, говорит Джур, который также является руководителем исследования нанорасширенного текстиля в Колледже текстиля Уилсона штата NC.

Патчи

Многие эксперты делают ставку не на часы или одежду, а на новый класс носимых устройств, которые приклеиваются к коже, как наклейки, пластыри или временные татуировки. Хотя пластыри еще не получили широкого признания, они обещают большую техническую гибкость в том, как будет устроен датчик или интерфейс с кожей, говорит Даниэле.

Пожалуй, самым большим успехом на сегодняшний день пользуется непрерывный монитор глюкозы - например, Freestyle Libre от Abbott или Dexcom G6, который можно носить от 10 до 14 дней, проверяя уровень глюкозы каждые несколько минут и передавая информацию по беспроводной связи на мобильный телефон. Обычно носимые на животе или на тыльной стороне руки, они работают с помощью крошечного датчика, введенного под кожу для измерения уровня глюкозы в интерстициальной жидкости - жидкости в пространстве между клетками.

Еще одна жидкость, которая может оказаться полезной: пот. Исследователи уже могут измерять уровень глюкозы и молочной кислоты в поте, и в настоящее время ведутся работы по поиску других полезных веществ в поте.

Что будут делать носимые устройства будущего?

Потенциал для новых всемирных приложений в области здравоохранения огромен. В некоторых случаях носимые устройства могут облегчить отслеживание состояния здоровья. Замените, например, стетоскоп на нагрудный пластырь или громоздкий монитор Холтера на удобную рубашку. Нужно сдать анализы? Откажитесь от иглы и вместо нее наденьте датчик пота или интерстициальной жидкости.

Другие исследуемые области:

Нежные, похожие на кожу датчики. Джон Роджерс, доктор философии, профессор материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Северо-Западном университете, уже разработал "очень мягкий, тонкий, гибкий, похожий на кожу" беспроводной датчик, который очень нежен. Он разработан таким образом, чтобы им мог воспользоваться любой человек, но он считает, что недоношенные дети в реанимации "могут получить наибольшую пользу".

У этих хрупких пациентов жизненно важные показатели должны контролироваться непрерывно, что сопряжено с "крысиным гнездом" проводов и лент, объясняет он. Но он и его команда (через свою компанию Sibel Health) разработали беспроводные датчики мониторинга, которые щадят нежную плоть ребенка и помогают обеспечить здоровый контакт кожи с кожей матери.

Поскольку эти датчики многоразового использования и могут работать со смартфонами, они могут быть идеальны в развивающихся странах, которые не могут позволить себе много дорогостоящего оборудования для мониторинга, говорит Роджерс. Тысячи датчиков уже установлены в Замбии, Гане, Кении, Индии, Пакистане и Мексике.

"Уровень смертности новорожденных в странах с низким и средним уровнем дохода остается чрезвычайно высоким", - говорит Уильям Мачария, доктор медицины, педиатр из Университета Ага Хана в Найроби, Кения, который протестировал устройство примерно на 250 новорожденных пациентах, находящихся в реанимации. "Большинство смертей происходит в течение первых двух недель".

По его словам, с помощью этого устройства можно будет наблюдать за новорожденными гораздо раньше, выявляя проблемы на ранних стадиях и надеясь спасти жизнь.

Платформа, получившая разрешение FDA для некритического ухода за взрослыми пациентами, может найти применение во всех медицинских отделениях. Роджерс также изучает возможности применения в области охраны материнства, для пациентов, перенесших инсульт, а также для пациентов с болезнями Паркинсона и Альцгеймера. Одна из версий может проводить скрининг на апноэ во сне, фактически перенося лабораторию сна к вам домой.

Мониторинг и диагностика психического здоровья. Некоторые психические заболевания могут стать более легкими в лечении с помощью носимых устройств, которые, например, измеряют уровень гормонов стресса. "В настоящее время наблюдается повышенный интерес к измерению уровня кортизола у людей, - говорит Чженан Бао, доктор философии, профессор химической инженерии в Стэнфордском университете.

Врачи уже проверяют уровень кортизола в крови, слюне или моче. Но носимые устройства могут - через интерстициальную жидкость или пот - использоваться для постоянного отслеживания уровня кортизола, определяя базовый уровень и отслеживая, улучшается или ухудшается уровень стресса у пациента, говорит она.

Кроме того, эта информация может быть объединена с другими измерениями функций организма, такими как частота сердечных сокращений и проводимость кожи, для достижения более точного диагноза и лечения, говорит Бао.

Соблюдение правил приема лекарств и дозировка. Пот может оказаться ключом к мониторингу лекарств, говорит Джейсон Хайкенфельд, доктор философии, профессор электротехники в Университете Цинциннати. Мы сможем не только узнать, принял ли человек лекарство, но и проследить, как быстро каждый человек метаболизирует его. Это позволит врачам назначать индивидуальные дозировки, уменьшая побочные эффекты и делая лекарства более эффективными.

"Это будет каменный век", - говорит Хайкенфельд о нынешнем времени. "Мы будем выглядеть так: вы пошли в магазин, и ваша 85-летняя бабушка, которая весит 95 фунтов, и вы, которому 32 года и у которого избыточный вес, получили одну и ту же бутылочку препарата X, на которой написано "принимайте столько-то каждые четыре часа до такой-то дозы". В этом нет никакого смысла".

И многое другое. Мисра и ее команда в центре ASSIST разрабатывают датчики для измерения качества воздуха, что, возможно, позволит нам предсказывать состояние здоровья дыхательных путей. По словам Мисры, другие устройства могут измерять запах человека - летучие вещества в дыхании связаны с раковыми заболеваниями - например, чтобы определить, находится ли больной раком в стадии ремиссии. Отслеживание поведения пожилых людей может помочь обнаружить изменения в мышлении или памяти.

"Носимые устройства будут все больше и больше предсказывать состояние здоровья, - говорит Мисра. Если мы сможем предсказать состояние или поймать болезнь на ранней стадии, мы сможем вмешаться раньше и добиться лучших результатов".

По мере того, как эти устройства будут становиться все более популярными, они перейдут из сферы здравоохранения в сферу потребительского благополучия, улучшая не только медицинские результаты, но и изменяя образ жизни в широких масштабах, говорит Даниэле.

"А дальше - голубое небо", - говорит он. "Если каждый будет носить устройство, которое что-то измеряет, можем ли мы начать делать такие вещи, как анализ здоровья населения?". Или мы сможем более стратегически остановить распространение инфекционных заболеваний?

Тем не менее, даже несмотря на то, что лаборатории бурлят демонстрациями, переход к реальной жизни вызывает вопросы: Будут ли люди носить носимые устройства? Будут ли эти устройства предоставлять качественные данные? Как эти данные будут соотноситься с нашими нынешними золотыми стандартами в медицине?

Мисра настроена оптимистично. Она прогнозирует серьезное развитие носимых устройств в клинических и коммерческих условиях в течение 5 лет.

В конце концов, многие из нас уже привыкли к тому, что устройства для сбора данных находятся на нас или рядом с нами. Это означает, что будущее здравоохранения и медицинских технологий во многих отношениях уже здесь, на вашем запястье... просто ждет обновления.