04_Медицинские радиоустройства (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова)

0. Медицинские радиоустройства.

Дистанционная диагностика

Рис. Модуль на пластыре формируют локальную сеть дистанционного мониторинга здоровья.

«Бионический» глаз с чипом. Для преодоления слепоты (при сохранении зрительного нерва) предполагается внедрение имплантантированного в сетчатку чипа (Implanted chip), на который подается сигнал с видеокамеры в оправе очков. Видеоинформация преобразуется в радиочастотный сигнал, который через первичную индуктивную антенну (Primary coil) принимается вторичной антенной (Secondary coil) в области хрусталика глаза. Таким образом, реализуется двухсторонняя беспроводная телеметрическая связь с самонастройкой. Чип представляет собой дискретную тактильную поверхность, каждый пиксел которой возбуждает сигнал определенного фоторецептора (photoreceptor) зрительного нерва (Retina). Глазные нервы стимулируются с помощью электрических разрядов.

Рис. Искусственное зрение с имплантацией чипа.

Имплантант «искусственной сетчатки» состоит из двух частей: одни находится непосредственно внутри глазного яблока, другая же — снаружи в очках пациента. На линзе очков установлена миниатюрная камера, которая перехватывает изображение и передает его на микропроцессор, находящийся в дужке очков. Микропроцессор превращает сигнал с камеры в набор электрических импульсов, «понятных» для глазного нерва. В линзе очков вмонтирована передающая радиоантенна, она транслирует полученный код прямо в глазное яблоко. Принимающая антенна расположена вокруг радужной оболочки глаза. Она связана с крохотным имплантантом, который определенным количеством электродов соединен с глазным нервом. С помощью имплантанта и происходит передача сигнала в мозг пациента.

Рис. Изображение прибора искусственного зрения.

Рис. Чип «бионического глаза».

Чип по праву может считаться революционным изобретением, однако предлагаемая методика не лишена существенных недостатков. Главной и пока еще не решенной проблемой являются относительно большие размеры имплантируемых элементов. Зачастую чип перекрывает свет, поступающий на здоровые участки сетчатой оболочки, а также повреждает чувствительные ткани, вызывая обильное слезотечение.

Эндоскопическая капсула – действующий прототип. Основой диагностической системы желудка  является одноразовая эндоскопическая капсула М2А. Хотя размер капсулы всего 11 х 26 мм, и вес не превышает 4 г, она содержит цветную камеру, 4 источника света, радиопередатчик и батареи: Легко проглатывается (11 х 26 мм, гладкая поверхность). Продвигается за счет перистальтики. Пациент может вести обычный образ жизни во время обследования. Выводится естественным образом. Одноразового применения. Сертифицирована в Европе, США(FDA), Австралии, Израиле, России

Рис. Беспроводная эндокапсула. 1. Оптический колпак 2. Держатель линзы 3. Линза 4. Светодиоды 5. Камера 6. Батарея 7. Передатчик 8. Антенна

Рис. Элементы приемной части диагностической системы.

Диагностический прибор для перемещения по сосудам и пищеводу может использовать конструктив червяка – многосекционного гибкого привода. Секция привода состоит из трех (трипода) углеродных нанотрубок (УНТ), которые меняют свою длину в зависимости от поданного потенциала. Положительный потенциал сжимает УНТ. Управление производится по сигналу датчиков касания на внешней поверхности прибора. К приводу подсоединяется диагностическая система рака и трансивер для передачи данных сенсора. Трансивер может использоваться для корректировки траектории движения.

Рис. Схема диагностического катетера.

Рис. Схема нано-трипода привода и изменения длины балки - УНТ.

Экзоскелет. Боевой бронежилет толщиной всего несколько миллиметров, названный исследователями «динамическая броня», составляющий одну из основных деталей экипировки солдата, будет облегать его наподобие водолазного костюма. При этом в его тонком слое будут содержаться довольно сложные молекулярные компоненты, с помощью которых новая форма будет и бронежилетом, и универсальным медицинским диагностическим инструментом, и экзоскелетом. Обмундирование солдата, воевавшего в Ираке, весило 48 килограмм. Обмундирование 2010 года будет весить 20 килограмм. Но солдат не будет носить на себе броню - броня сама будет его носить.

Солдаты смогут обмениваться данными в реальном времени с транспортными средствами, вертолетами, танками, роботами поддержки и другой техникой. Возможно также дистанционное управление техникой солдатом. Вертолеты, летящие впереди отряда, будут передавать информацию о противнике солдатам. В новом костюме солдат сосредоточится только на одном – на ведении боя.

Специально сконструированные наномашины - усилители, входящие в состав экзоскелета брони 2020, смогут увеличить силу солдата на 300%. Униформа образца 2010 года может «усилить» солдата только на 35%. Ответная реакция костюма будет аналогична работе подушек безопасности в автомобилях. «Меньше секунды пройдет между детектированием удара или кровотечения, и ответной реакцией костюма. И все это благодаря МЭМС- или НЭМС-акселерометрам в качестве детекторов ударов в солдатском костюме.

Модель 2010 года была названа исследователями «F-16 на ногах», поскольку система позиционирования и навигации, расположенная в заплечном рюкзаке солдата, позволяет проделать все те операции по навигации, что и компьютеры самолета F-16. Шлем солдата оснащен вместо нынешнего микрофона сенсорами, детектирующими вибрации костей черепа и челюстей. Весь обмен информацией будет производиться через проектор, который передает информацию прямо на сетчатку. Так у солдата появится ряд «операционных окон» – которые будут информировать солдата о приказах, о противнике, заменят бинокль и приборы ночного видения, а также будут отображать состояние организма. По «видимым» размерам экран будет сопоставим с 17" монитором.

Все жизненно важные параметры жизнедеятельности солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме или на сетчатку глаза, а также и на медицинский компьютер. Последний будет принимать решения о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата. Ряд полимерных приводов, из которых будет состоять костюм, по сигналу от медицинского компьютера будут делать определенные его участки жестче или мягче. Если, например, солдат поломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма. Солдату покажут параметры окружающей среды, радиоактивность среды, калориметр, сколько воды выпил солдат. Контроль над количеством жидкости позволит экономнее расходовать воду и предотвратить обезвоживание организма. Если солдат болен, то доктор, находящийся в тысячах километров от него, проанализировав состояние солдата, отдаст соответствующие команды медицинскому компьютеру, который сделает необходимые инъекции и сконфигурирует экзоскелет. Если же солдат не успеет сам вызвать медика, то это сделает его компьютер по данным датчиков, заблокировав солдата в экзоскелете и включив системы жизнеобеспечения. Таким образом, солдат будет «закован в латы» до прихода врача.

Рис. Интерфейс тестовой программы, которая отображает состояние солдата.

«Полевой госпиталь – на чипе » - фрагмент экзоскелета. Ферментный (enzyme) датчик передает данные на дистанционный биохимический процессор, где формируется сигнал на устройство введения лекарства.

Рис. Структура «полевого госпиталя – на – чипе».

Медицинские диагностические поверхности. Датчики, включенные в гибкое основание, создают щадящее диагностическое устройство с беспроводной информационной системой.

А Б

Рис. (А) - Медицинское диагностическое устройство с беспроводной информационной системой. (Б) – Хирургические перчатки с химическим, оптическим и температурным сенсорами, каналами подачи реактивов, приемопередатчиком.

Дистанционное проведение анализов. Число таких анализов ограничено. Мобильное средство связи должно быть дополнено «лабораторией – на – чипе», микроскопом, фото- или видео- камерами.

Рис. Концепт фирмы Nokia медицинского мобильного телефона.