このウェアラブル「ハートソックス」はいつか命を救うかもしれないイノベーション| スミソニアン - 記事、イノベーション、健康と医学、技術、科学、心と体

最近のウェアラブルエレクトロニクスには多くの話題があります。たとえば、Googleはアイウェアビジネスに拡大していますが、他の企業は、食べものや動きを追跡するハイテククリップや時計で市場シェアを奪い合っています。。

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しかし、それらのどれも物理学で2013年のスミソニアン・アメリカン・インジェニティー賞を受賞したジョン・ロジャースが開発しているものとは程遠い。彼のデバイスは、手袋のようにフィットするだけでなく、おそらくいつかは着用者の命を救うように設計されています。

材料科学者は、イリノイ大学アーバナシャンペーン校の学生チームとともに、心の靴下として最もよく説明されているものをテストすることに成功しました。心臓の表面全体に取り付けられたこのデバイスは、この最も重要な臓器の内部の働きを非常に正確に監視するための一連のセンサーで構成されています。問題のある異常を検出すると、医療専門家にデータを中継できます。心臓発作などの緊急時には、電極誘導パルスを投与することで介入することさえできます。

通常、心臓は非常に効率的な方法でポンプを作動させます。しかし、心調律状態のある人にとっては、非同期の心収縮は衰弱する可能性があります。不整脈のある人にとっては、立ちくらみ、脱力感、嘔吐、胸痛を引き起こします。時間が経つにつれて、リズミカルな不規則性が血栓を引き起こし（時には脳卒中につながる）、極端な場合には心停止を引き起こす可能性があります。

医師は通常、この種の問題を修正するために薬を処方できます。しかし、場合によっては、患者はペースメーカーや除細動器のインプラントなどの外科的介入に頼らなければなりません。そして、これらのデバイスは十分に機能しますが、人の心拍を調節するために使用するメカニズムは実際には非常に粗雑です。除細動器インプラントでは、一対の電極が心腔内に配置されます。生命にかかわる不整脈が検出されるたびに、除細動器は心臓を正常なリズムに戻す電気ショックを送ります。そのアプローチの問題は、心臓の別の領域からの活動が、それが本当に必要でないときに、誤って痛みを伴う衝撃を引き起こす可能性があるということです。

ロジャーズのデバイスは、リズミカルな不規則性が発生する場所を正確に特定できる、はるかに洗練された感覚システムに心臓を囲みます。ある意味では、二次皮膚の神経終末のように機能します。

「私たちが望んでいたのは、回路技術のフルパワーを利用することでした」と、ロジャースはデバイスのことを語っています。。特定の場所に熱またはパルスを供給し、十分な測定可能な用量でそれを行うことは重要です。必要以上に適用すると痛みを伴うだけでなく、心臓を損傷する可能性があるためです。」

この段階的な図は、心臓デバイスの作成方法を示しています。（イリノイ大学およびワシントン大学）

緊急の心臓インプラントとしての可能性に加えて、心臓靴下の弾力性は、心臓の健康の重要な指標と考えられるカルシウム、カリウム、ナトリウムのレベルを監視できる他の電子および非電子センサーの配列を可能にします。膜は、機械的圧力、温度、およびpHレベル（酸性度）の変化を追跡するようにプログラムすることもできます。これらはすべて、差し迫った心臓発作を知らせるのに役立ちます。

プロトタイプのシースを製作するために、研究者は最初にウサギの心臓のプラスチックモデルをスキャンし、3D印刷しました。次に、金型の上に68個の小さな電子センサーのウェブを配置し、FDA承認のシリコーンゴム材料の層でコーティングしました。ゴムが固まった後、ロジャースの研究室助手は、特注のポリマーを剥がしました。

膜をテストするために、研究者はそれを本物のウサギの心臓に巻き付け、機械式ポンプに接続しました。チームは、実際の臓器よりも少し小さくなるようにデバイスを設計し、グローブのような優しいフィット感を与えました。

「ここで注意が必要なのは、電極が表面と十分に接触するのに十分な圧力をかけることができるように膜のサイズを調整する必要があることです。強く押しすぎると心臓が反応します。否定的な方法です。」

「ぴったり合う必要がある」と彼は付け加えた。

プリンストン大学の研究に携わっていなかった機械技術者のマイケル・マカルパインがサイエンティストに語ったように、「ここで新しくて印象的なのは、心臓の表面全体を覆う膜にさまざまな機能を統合したことです。センサーのその広がりは、心臓モニタリングのための高レベルの空間分解能を提供し、刺激に関してはより多くの制御を提供します。」

それでは、このブレークスルーが研究室から患者へと進むには何が必要でしょうか？ロジャースは、医療市場で何かが準備できるようになる前に、少なくともさらに10年の開発を見積もっています。その間、彼はワシントン大学の生物医学エンジニアであるイゴール・エフィモフとの協力を続けて、概念実証を実用的で安全で信頼できる技術に改良することを計画しています。

1つの大きな障害は、従来のバッテリーなしで膜に電力を供給する方法を考え出すことです。現在、ロジャーズと彼のチームは、超音波充電、皮膚を介してワイヤレスで電力を送信する方法、周囲の環境からエネルギーを取り込む圧電材料の使用など、いくつかの代替案を検討しています。後者については、成功の先例があります。 2年前、ミシガン大学のエンジニアはそのような素材を利用して、ユーザーの心拍だけで動くペースメーカーを開発しました。

「より多くのセンサーを組み込み、電気的インパルスと熱を届けようとしているため、従来のペースメーカーで生成される量よりも多くのエネルギーを消費します」とロジャース氏は言います。「将来、効率を改善できることを願っています。」

もう1つの重要な要素は、外部のガジェットにデータを送信して患者や専門家がアクセスできるようにすることです。センサーは現在、温度やPHの変化などのパターンを記録していますが、科学者はそのデータをワイヤレスで配信する方法をまだ解明していません。

「Bluetooth通信は低電力なので、私たちはそれを見ています」とEfimov氏は言います。「基本的に、デバイスにはより多くのコンポーネントが必要であり、電子機器、テレメトリー、ソフトウェアなどの他の分野の専門家が必要になります。ですから、最終的には、ベンチャーキャピタルを調達し、会社を設立しなければなりません。」

現在、焦点はスリーブを実用的なデバイスとして機能させることです。生産にどれくらいの費用がかかるのか、または市場に出たときに消費者にどれくらいの費用がかかるのかはわかりません。

しかし、大きな問題は、最終的には、心臓の靴下が生体内で安全かつ効果的に機能するのか、それとも実際に生きている被験者で機能するのかということです。ペースメーカーは通常、10年間使用できます。したがって、実用的であるためには、ロジャースの発明は、少なくともその期間にわたって動作し続けることができることを実証する必要があります。チームは、生きているウサギの体内の膜をテストするパイロットで次のステップを踏み出す準備をしています。これは、国立衛生研究所からの資金と、確保するために取り組んでいる他の助成金で完了することを望んでいます。すべてがうまくいけば、ガジェットが嗅ぎ分けるかどうかの次のテストは人間に行われます。