Датчик размером с монету «залез в голову» без операции

Группа ученых из США и Южной Кореи сконструировала высокоточную систему мониторинга внутричерепного давления. Для его измерения использовали миниатюрный датчик, который доставляется к поврежденному месту с помощью хирургического катетера, то есть без разрезов. Новый метод контроля давления поможет наблюдать за состоянием пациентов, получивших травму головы, а также в их лечении.

Полученные людьми черепно-мозговые травмы в половине случаев, по статистике, приводят к осложнениям, инвалидности или даже смерти. Транспортные происшествия, падения, удары чреваты серьезными нарушениями здоровья. Множество патологических состояний сопровождается повышенным внутричерепным давлением, которое нужно непрерывно контролировать, чтобы не допустить критических ситуаций. Большинство современных клинически доступных методов измерения давления — инвазивные, как, например, внутрижелудочковые зонды.

Как отметили авторы нового исследования, подобные способы мониторинга не обеспечивают его долгосрочность и стабильность, поскольку выдают дискретные, а не непрерывные, данные, что вызывает сложности с калибровкой. Также есть риск неточного измерения и дрейфа нулевого сигнала в датчиках, то есть будет медленное систематическое или медленное хаотическое изменение выходного сигнала при неизменном входном. Самое главное: такие методы требуют хирургического вмешательства, а именно — проникновения внутрь черепной коробки, что повышает риск осложнений.

Минимально инвазивной альтернативой считается эндоваскулярный, или внутрисосудистый, подход. С помощью инструментов размером в несколько миллиметров через сосуды на конечностях хирурги, делая прокол и вводя катетер, получают доступ к сердцу, головному мозгу и другим органам по венам и артериям. Преимущества этого щадящего способа заключаются в меньшей кровопотере и более быстром восстановлении пострадавшего.

Команда ученых разработала эндоваскулярную биоэлектронную систему с интегрированным тонкопленочным датчиком. В качестве средства доставки использовали обычный стент, или трубку, форма которой поддерживается за счет встроенного каркаса из металлической сетки. В этот саморасширяющийся катетер встроили специально созданный ультратонкий наномембранный датчик размером меньше десятицентовика — самой маленькой как по толщине, так и по диаметру монеты, выпускаемой в США.

Инженерам было важно добиться не только миниатюрности устройства, но и точности передачи данных при высокой скорости их сбора. Платформу разработали для регистрации как статических, так и динамических изменений давления, включая пульсирующие колебания, с высокой чувствительностью. Интеграция датчика обеспечивает стабильное долгосрочное позиционирование в дуральном венозном синусе головного мозга, что позволяет вести непрерывный мониторинг без использования сложных беспроводных систем или частой повторной калибровки.

Тестовые испытания показали высокую чувствительность датчика и точность собранных данных об изменениях внутричерепного давления / © Jimin Lee et al.

Серии испытаний in vitro и in vivo показали высокую чувствительность датчика — 0,052% миллиметра ртутного столба и широкий считываемый диапазон давления от трех до 30 миллиметров ртутного столба. При этом сохранялась производительность без калибровки и дрейфа нуля. Статистический анализ подтвердил соответствие между устройством и клиническим эталоном, что потенциально позволит найти ему более широкое применение для минимизации рисков осложнений и лечения пациентов в отделениях нейрохирургии.

Научная работа опубликована в журнале Advanced Healthcare Materials.