IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ПЕРСОНАЛЬНАЯ МЕДИЦИНСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ПЛЁНОЧНОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Медицина будущего - это прежде всего технологии, созданные для персонального использования. Традиционная медицина с её длинными очередями в регистратуру, большими зданиями с запутанными коридорами, с больничными палатами, где немало коек и много людей, должна остаться в прошлом. Это неэффективная и дорогостоящая система, которая отвлекает ресурсы государства от реальных дел. Проблема не в том, что лучше и что есть. Основная проблема в том, что медицинские чиновники не желают видеть очевидных перемен, связанных с цифровыми технологиями, с появлением портативных медицинских систем на основе микро и нанотехнологий. Эти технологии значительно эффективнее и менее затратные для использования в медицинской отрасли. Кроме того, новые технологии создаются под физиологические особенности отдельного взятого человека, что даёт значительные преимущества при лечении. Предполагается, что к 2018 г. число персонализированных медицинских приложений для мобильных систем затронет свыше 1,7 млрд. человек [3]. В некотором смысле, мобильная персонализированная медицина повторяет путь персонализированной фармакологии, когда лекарства для лечения больного производятся с учётом его индивидуальных особенностей.
К сожалению, разработка и внедрение персонализированных медицинских систем в нашей стране происходит очень медленно. Поэтому, основная цель данной работы продемонстрировать технологические особенности разрабатываемой мобильной медицинской системы, в основе которой используются тонкоплёночные наноматериалы.
1. Постановка проблемы
Современное биомедицинское оборудование, которое используется в мобильных системах основывается на полупроводниковой технологии. Эта технология совершенна и позволяет проектировать всевозможные медицинские системы. Но в таких системах есть одна существенная проблема – это зависимость от ёмкости носимых аккумуляторов, габаритов и веса медицинской системы, а также различных неудобств, связанных с её эксплуатацией. Например, если рассматривать носимый кардиостимулятор, - то это болтающиеся электрические провода, идущие от вживлённого в тело человека прибора и внешнего аккумулятора, который нужно постоянно носить и периодически подзаряжать. Если это современная мобильная мониторинговая система, которая используются для измерения температуры тела, артериального давления и снятия электрокардиограммы больного, - то это неудобная плечевая сумка весом 2-3 кг со всевозможными приклеенными датчиками и проводами на теле. Носить такую мобильную систему неудобно, но такая система выдаёт очень ценную медицинскую информацию при движении больного, которая используется для точной диагностики заболевания. Проблема эта хорошо известна, решается введением в конструкцию мобильной системы миниатюрных биодатчиков, систем передачи данных по каналам Bluetooth, Wi-Fi и беспроводной зарядки для элементов питания. Подобные мобильные медицинские системы уже существуют и постепенно сближаются с технологиями «умного дома». Эти технологии развиваются за счёт размещения в помещениях различных электронных датчиков, которые объединены и управляются с помощью сетевых технологий. Но такие системы нельзя выносить за пределы квартиры или дома. Они ограничены радиусом действия управляющих электромагнитных полей, весом системы и запасами электроэнергии. Можно предположить, что с применением почти невесомых наноматериалов в конструкциях мобильных медицинских систем проблема потребления электроэнергии, веса, габаритов и удобств, будет успешно решена.
Несмотря на бурное развитие новых технологий, нанотехнология пока не пользуется особым успехом в медицине. Многие люди не совсем понимают перспектив технологии и, тем более, не понимают соразмерность и значения слов: наноматериал, нанотехнология, наносистема и т.д.
Согласно определению Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC): - если размер искусственно созданных объектов для какой-нибудь системы меньше 0,1 мкм (или 100 нм), то данную систему можно называть наносистемой.
Что это значит? Здесь можно провести цепочку технической эволюции в радиотехнике: вакуумный триод, полупроводниковый транзистор, микросхема, нанотранзистор. Если вакуумный триод имел размеры от нескольких сантиметров и до дециметра, полупроводниковый транзистор от нескольких миллиметров и до сантиметра, микросхема от микрометров до миллиметра, то нанотранзистор должен иметь размеры не больше 0,1 мкм или 100 нанометров. Таким образом, преимущество в размерах радиоэлектронных элементов, в весе, а тем более в их электропотреблении, не требует доказательства. Это естественная эволюция в технологиях, от большого к малому.
Особый интерес вызывают нанотехнологии, которые связанны с применением тонкоплёночных и аэрозольных покрытий. Эти технологии доступны, благодаря которым появляется возможность управлять свойствами материалов на атомарном уровне. Применение органических светодиодов в мобильных медицинских системах на основе технологии атомно‐слоевого осаждения, позволяет использовать эти комбинированные системы не только при диагностике, но и в терапевтических целях. Кроме того, чем больше будет биодатчиков, тем более точным будет результат диагностики.
2. Материалы и методы
В настоящее время существуют мобильные медицинские системы изготовленные на основе микро и наноэлектронных элементах. Конструктивно они выполнены в виде внешних носимых устройств, например, эластичных поясов, жилетов, манжет, повязок и т.п. Архитектура подобной системы строится на основе плёночной нанотехнологии, путём нанесения атомно-слоевого осаждения (Atomic Layer Deposition или ALD-покрытия) на гибкие подложки [2]. В то же время, гибкие подложки являются конструктивным элементом персонализированной системы, например, биомедицинского жилета [1, 44-51]. Программно-аппаратная поддержка мобильной системы основана на принципах открытой архитектуры, которая связана с доступом к программным компонентам и данным посредством web-интерфейса. Web-интерфейс обеспечивает обращения к системе, как через локальные специализированные (медико-биологические, нейронные сети), так и через глобальные сети.
3. Результаты исследований
В исследовательских лабораториях Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского и Саратовского технического университета имени Ю.А. Гагарина, совместно с фирмой «Нарат-K», успешно реализуются проекты по созданию мобильных медицинских систем на базе микро и плёночной нанотехнологии [5]. В исследованиях, помимо профессорско-преподавательского состава принимают участие и студенты вышеперечисленных вузов, а также учащиеся 11 класса национальной (татарской) гимназии г. Саратова.
Основная функция разрабатываемых мобильных систем - это профилактика, восстановительная медицина, диагностика физиологических данных в режиме реального времени, оперативное оповещение критических режимов через мобильные приложения [4]. Разрабатываемая система предназначена для людей, находящихся в активном движении. Система может использоваться в спортивной деятельности для контроля физиологических параметров с целью повышения эффективности тренировочного процесса.
В состав персонализированной медицинской системы входят:
а) мобильное устройство с системой спутникового позиционирования ГЛОНАСС-GPS;
б) тканевый жилет с линейкой биодатчиков на базе плёночной нанотехнологии;
в) блок управления и обработки данных;
г) коммуникационное оборудование для передачи-приёма данных;
д) система электропитания.
В качестве основного конструктивного элемента медицинской системы выступает обыкновенный тканевый жилет на внутренней поверхности которого располагаются участки с наноматериалом и системой коммуникации. На наружной стороне жилета располагаются системные датчики, система спутникового позиционирования, блок управления и обработки данных, а также съёмный аккумулятор. Общий вес полностью укомплектованного жилета составляет около 1,2 кг.
В настоящее время разрабатываемая мобильная медицинская система [6] проходит тестовые испытания, которые докажут или опровергнут заложенные технологии на основе применения тонкоплёночного наноматериала.
Заключение
Рынок мобильных медицинских систем активно развивается. В ближайшие годы можно ожидать появление эффективных мобильно-ориентированных решений в медицине, которые будут созданы с использованием нанотехнологий.
Создание мобильных медицинских систем для персональной диагностики, профилактики, реабилитации и корректировки процесса лечения, является приоритетным направлением современной медицины. Дальнейшее сближение технологии мобильных систем с центрами обработки персональной информации, открывают возможности для создания глобальных ресурсов медицинских данных, учитывающих индивидуальные особенности каждого человека.
Хочется верить, что из огромного разнообразия современного оборудования для производства наноматериалов для медицинских целей, будут представлены передовые технологии и из нашей страны.
Список использованных источников и литературы
1. Аблязов К.А., Аблязов Л.К., Сингатулин Р.А.Геоинформационная интерактивная мобильная медицинская система // ИнтерКарто/ИнтерГИС. - 2016. - Т. 22. - № 2. - С. 44-51.
2. Атомно-слоевое осаждение [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://beneq.com/sites/default/files/documents/ALD%20Technology%20brochure_ru.pdf (дата обращения 25.11.2017).
3. Куда движется технологический рынок: перспективы для России (2014). Специальное издание Форума «Открытые инновации» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ey.com/Publication/vwLUAssets/EY-where-the-technology-market-is-heading-prospects-for-russia-rus/$File/EY-where-the-technology-market-is-heading-prospects-for-russia-rus.pdf (дата обращения 28.11.2017).
4. Честнов О.П., Бойцов С.А., Куликов А.А., Батурин Д.И. Мобильные технологии на службе охраны здоровья [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mednovosti.by/journal.aspx?article=6009 (дата обращения 28.11.2017).
5. Singatulin R.A., Ablyazov K.A. Персональная сопровождающая дистанционно-неинвазивная медицинская система // Stredoevropsky Vestnik pro Vedu a Vyzkum. - 2015. - Т. 81. - С. 66.
6. Singatulin R.A., Ablyazov K.A., Ablyazov L.K. Inclusive m-Health System Architecture Based on Using Film Nanotechnology Techniques. International Journal of Applied and Fundamental Research. – 2017. - № 3. – URL:www.science-sd.com/471-25333 (21.10.2017).