Умная маска EBCare отслеживает состояние здоровья по дыханию

Профессор Вэй Гао из Калифорнийского технологического института (Caltech) с коллегами изобрели прототип умной маски для мониторинга ряда заболеваний, включая респираторные, например, инфекционные последствия COVID-19.


Гао ранее уже стал автором ряда носимых биодатчиков, которые анализируют пот для замера уровней метаболитов, питательных веществ, гормонов и белка в организме. В новом научном проекте исследователь решил сосредоточиться на контроле дыхания.

Образец умного устройства назвали EBCare, где EBC — «конденсат из выдыхаемого воздуха». И вместе с тем Care означает «уход, забота».

Другие умные маски для контроля за состоянием здоровья фиксируют физические данные: температуру, влажность, частоту дыхания. А EBCare способна фиксировать химические соединения в дыхании, например, определяет уровень нитритов у пациентов с астмой, что указывает на воспаление дыхательных путей.
Контроль за дыханием пациента выполняется регулярно, например, для наблюдения за астматиками и при других респираторных проблемах. Однако для этого пациенту обычно приходится посещать клинику для анализов, а затем дожидаться результатов из лаборатории, объяснил Вэй Гао.

После эпидемии COVID-19 люди привыкли носить маски для личной безопасности или чтобы не заразить окружающих при недомогании. Никого не удивит, если нуждающийся мониторинге здоровья будет сколько угодно долго дома или в офисе находиться в умной маске, которая не очень-то отличается от обычной медицинской. При этом носитель EBCare может собирать данные, например, для оценки эффективности лечения.

Для выборочного анализа химических веществ или молекул в дыхании человека пары изо рта необходимо первым делом охладить, чтобы конденсировать в жидкость. В клиниках образцы дыхания с содержащейся в них влагой охлаждаются отдельным этапом, в ёмкостях со льдом или холодильниках. EBCare, напротив, сама охлаждает полученные пары из лёгких пациента с помощью пассивной системы охлаждения, которая эффективно объединяет два метода: испарительное охлаждение гидрогеля и радиационное охлаждение. Несмотря на подозрительное название, во втором случае речь идёт о процессе понижения температуры за счёт теплового излучения.

Аспирант Caltech и главный соавтор исследования Вэньчжэн Хенг объяснил, что конденсат из человеческого рта содержит растворённые газы, частицы нелетучих веществ или капли. В том числе там присутствуют метаболиты, то есть соединения, которые возникают в результате обмена веществ и являются при этом признаками воспалительного процесса. А также могут присутствовать и вредные микробы.

Далее вступает в силу микрогидродинамика, которую в зарубежных источниках также именуют микрофлюидикой. Это междисциплинарная наука, описывающая поведение малых (порядка микро- и нанолитра) объёмов и потоков жидкостей. Микрогидродинамика находится на стыке физики, гидравлики, динамики, химии, биологии и инженерных знаний. Проще говоря, Гао и сотоварищи научились транспортировать воду у растений, которые используют для подъёма влаги из почвы капиллярные силы.

В общем, как только дыхание превращается в жидкость, капилляры, относящиеся к устройствам из сферы микрогидродинамики, немедленно транспортируют жидкость к датчикам для анализа. Затем его результаты поступают по беспроводной сети на гаджет или компьютер.

Учёные протестировали EBCare на добровольцах, в том числе на пациентах с астмой и ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь лёгких, при которой буквально не хватает воздуха). Дыхание испытуемых проверяли на присутствие нитритов, биомаркеров воспаления при обоих недугах. Результаты показали, что маски точно определили признак, указывающий на воспаление в дыхательных путях пациентов.

В другой серии опытов учёные убедились, что маски точно определяют уровень алкоголя в крови носителей. Это означает, что EBCare можно использовать для проверки на опьянение водителей, да и вообще у кого угодно.

Разработчики также проверили, пригодны ли EBCare для определения мочевины в крови, что бывает важно при наблюдении за почечными больными. Механизм таков: по мере снижения функции почек побочные продукты белкового обмена, такие как мочевина, накапливаются в крови. В слюне повышается доля мочевины, которая распадается на газообразный аммиак, и это приводит к повышению его уровня в конденсате изо рта. Так вот, изобретение Гао годится, чтобы точно определять эти уровни аммиака, то есть повышенное содержание мочевины в крови.

Гао добавил, что они с коллегами хотят масштабировать свою технологию, чтобы контролировать как можно больше показателей здоровья. Кстати, умную маску можно выпустить на рынок задёшево: материалы, из которых она изготовлена, стоят всего около 1$.

Что касается удобства ношения масок EBCare, то добровольцы сообщили о комфортных ощущениях, даже те, кому свойственно затруднённое дыхание.