آینده حلقه‌ های هوشمند فراتر از ضربان قلب؛ تبدیل عرق دست به آزمایشگاه سیار بیوشیمی با حلقه هوشمند CHARM

ما اکنون وارد عصر بایوهکینگ (Biohacking) شده‌ایم؛ و این موضوع دیگر صرفاً به موارد افراطی مانند برایان جانسون که میلیون‌ها دلار برای اهداف بلندپروازانه سلامت و جوان‌سازی هزینه می‌کند محدود نمی‌شود. امروزه مخاطبان و کاربران عادی گجت‌های پوشیدنی نیز خواستار امکانات و اطلاعات بسیار بیشتری هستند. آن‌ها داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط ساعت‌های هوشمند، مچ‌بندها و حلقه‌های هوشمند را به مدل‌های هوش مصنوعی تغذیه می‌کنند تا بینش‌های عمیق‌تری درباره وضعیت بدنی خود به دست آورند. من خودم با استفاده از هوش مصنوعی Claude در کمتر از ۱۰ دقیقه یک داشبورد اختصاصی ایجاد کردم تا داده‌های ثبت‌شده توسط حلقه هوشمندم را تحلیل کنم.

به گزارش بخش اخبار فناوری زوم تک به نقل از پایگاه خبری دیجیتال ترندز (Digital Trends)، اما میزان کارایی و پایش این گجت‌های پوشیدنی به دلیل محدودیت‌های اساسی حسگرهای مبتنی بر نور (Optical Sensors) با سقف معینی روبه‌رو است. این حسگرها ابتدا با اندازه‌گیری ضربان قلب آغاز به کار کردند و طی یک دهه اخیر پیشرفت‌های چشمگیری داشتند؛ به‌طوری‌که اکنون قادر به اندازه‌گیری نوار قلب (ECG)، تغییرات فشار خون، نوسانات دما و سطح اکسیژن خون (SpO2) هستند. با این وجود، حسگرهای نوری توانایی نفوذ به جنبه‌های بیوشیمیایی بدن را ندارند؛ یعنی همان مواردی که مستلزم مراجعه به بیمارستان یا استفاده از تجهیزات پیچیده آزمایشگاهی است.

چرا پایش بیوشیمیایی عرق بدن جایگزین حسگرهای نوری خون می‌شود؟

وقتی پای سلامت و تندرستی به میان می‌آید، تحلیل نوری جریان خون انسان به هیچ وجه هدف غایی و نهایی نیست. مایعات بیولوژیکی متعددی در بدن وجود دارند که گنجینه‌ای ارزشمند از داده‌های حیاتی سلامت محسوب می‌شوند؛ از جمله بزاق، ادرار، اشک و مایع مغزی-نخاعی. اما در دنیای گجت‌های پوشیدنی هوشمند، عرق بدن از دیرباز به عنوان بزرگ‌ترین افق پیش‌رو برای حسگرهای زیستی (Biosensing) در محصولات تجاری شناخته شده است. چالش اصلی در این میان، مواجهه با یک مسئله مهندسی کاملاً متفاوت و پیچیده است.

در فرایند پایش عرق، ما با مایعات سروکار داریم و برای انجام یک تحلیل شیمیایی، به چیزی در حد یک آزمایشگاه مینیاتوری نیاز است. رشته میکروسیال (Microfluidics) حوزه‌ای است که برای ساخت این مینی‌آزمایشگاه‌ها تلاش می‌کند. محققان مؤسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) اخیراً یک پچ پوستی ساختند که می‌تواند سطح کلسترول را با نمونه‌برداری از عرق بسنجد؛ پژوهشگران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا نیز در سال ۲۰۲۳ پچ مشابهی توسعه دادند. اما گنجاندن تمام این کیت‌های حسگر درون گجتی به کوچکی یک حلقه هوشمند که امکان پایش مداوم و هم‌زمان چندین ماده شیمیایی را فراهم کند، تا به امروز یک رؤیای دست‌نیافتنی بود.

معرفی حلقه هوشمند CHARM؛ شاهکار مهندسی دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو

اینجا بود که تاموگانا ساها (Tamoghana Saha) و تیم تحقیقاتی‌اش در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو (UC San Diego) وارد میدان شدند و یک حلقه هوشمند نوین توسعه دادند که می‌تواند با بررسی نمونه عرق، سطح گلوکز (قند خون)، کتون‌ها، ویتامین C، اسید اوریک، لاکتات و حتی میزان الکل را پایش کند. این تحلیل یک ارزیابی مقطعی و یک‌باره نیست؛ حلقه‌ای که این تیم آن را ماژول حلقه تحلیل مداوم سلامت (CHARM) نامیده‌اند، قادر است با هر بار شارژ به مدت ۱۲ ساعت پایش پیوسته انجام دهد و کالیبراسیون و دقت خود را تا دو ماه حفظ کند.

این دستاورد یک نقطه عطف بسیار بزرگ است که تنها به زمان و بهینه‌سازی بیشتر نیاز دارد. نمونه فعلی حلقه کمی حجیم است، خاصیت ضدآب ندارد، هنوز در کارآزمایی‌های بالینی گسترده روی انسان تأیید نهایی نشده و توانایی پایش چندروزه را ندارد. با این حال، همچنان یک حلقه واقعی است که اصول طراحی آن بر پایه قابلیت تعمیرپذیری و ارتقا بنا شده است. مهم‌تر از همه، این گجت اثبات زنده این واقعیت است که تحلیل شیمیایی عرق اکنون مستقیماً روی انگشت اشاره دست امکان‌پذیر شده و بسیار کاربردی‌تر از حلقه‌های هوشمند متداول بازار خواهد بود که صرفاً تحلیلی نوری از جریان خون زیر پوست ارائه می‌دهند.

تحلیل جامع نشانگرهای زیستی قابل سنجش با حلقه هوشمند CHARM

خبرنگار دیجیتال ترندز در مصاحبه‌ای اختصاصی با ساها، به بررسی جزئیات حلقه CHARM، چالش‌های پیش‌رو و آینده حلقه‌های پایش سلامت پرداخته است. حلقه CHARM توانایی سنجش بازه گسترده‌ای از نشانگرهای زیستی (Biomarkers) را داراست؛ مواردی که دیدگاهی جامع از سطح سلامت، آمادگی جسمانی، واکنش به داروها، تغییرات رژیم غذایی و تمرینات ورزشی ارائه می‌دهند:

نکته امیدبخش این است که تحلیل‌های فوق تنها بخش سطحی ماجرا هستند؛ در صورتی که این داده‌ها با اطلاعات جمع‌آوری‌شده از سایر گجت‌ها مانند ساعت‌های هوشمند ترکیب شوند، پتانسیل‌های تحلیلی بی‌شماری خلق خواهد شد که از اهداف بلندمدت محققان دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو است.

استخراج کاملاً غیرفعال عرق با هیدروژل اسمزی؛ نوآوری بدون مصرف انرژی

چرا به جای اتکا به حسگرهای نوری موجود در اپل واچ سری ۱۱ یا حلقه اورا (Oura Ring)، باید به سراغ آنالیز عرق رفت؟ تاموگانا ساها در این رابطه توضیح می‌دهد: «هدف اصلی ما تمرکز بر شاخص‌های تغذیه‌ای و بیماری دیابت بود؛ زیرا سازوکار سنجش این نشانگرهای زیستی به‌صورت مجزا کاملاً شناخته‌شده است. هدف این پروژه نشان دادن این موضوع بود که در صورت مینیاتوری‌سازی قطعات، می‌توان تمام حسگرهای لازم را درون فرم فاکتور کوچکی مانند یک انگشتر ادغام کرد.»

علاوه بر امکان‌پذیری فنی، این تیم اثبات کرد که پوست بند انگشت دست برای سنجش عرق کاملاً کافی است و نیازی به چسباندن پچ‌های بزرگ روی بازو، ران یا کمر وجود ندارد. ساها می‌گوید: «ما اثبات کردیم که بخش بند اول انگشت (بند پروگزیمال)، مکانی کاملاً مناسب برای پایش عرق است؛ کاری که پیش از این انجام نشده بود.»

ویژگی برجسته دیگر، راحتی این سیستم غیرتهاجمی و بی‌دردسر است. ساها افزود: «برخلاف سایر گجت‌های پایش عرق که مستلزم انجام فعالیت‌های ورزشی سنگین هستند یا از تحریکات شیمیایی (تزریق دارو برای تحریک تعریق) استفاده می‌کنند، دستگاه ما با عرق طبیعی و غیرفعال (Passive Sweat) کار می‌کند.»

تیم تحقیقاتی درون حلقه از یک شیار دایره‌ای حاوی هیدروژل استفاده کرده است که با بهره‌گیری از اختلاف فشار اسمزی، عرق را بدون نیاز به هیچ‌گونه انرژی و برق از سطح پوست بیرون می‌کشد. هیدروژل دقیقاً مانند یک پمپ غیرفعال عمل می‌کند. همچنین برای تأمین انرژی مدارها، یک باتری قابل شارژ اختصاصی با ماندگاری ۱۲ ساعت در هر چرخه شارژ توسعه یافته است.

دقت در سطح تجهیزات پزشکی و تطابق با استانداردهای FDA

حلقه هوشمند CHARM می‌تواند به‌طور هم‌زمان ۴ نشانگر زیستی را اندازه‌گیری کند. سامانه سنجش آن که مبتنی بر اتصال حسگر و سیستم میکروسیال است، پایداری خود را به مدت دو ماه حفظ می‌کند؛ این یعنی نیازی به کالیبراسیون مکرر بر اساس آزمایش‌های خونی نخواهد بود.

از نظر دقت، ساها اعلام کرد که داده‌های حلقه در مقایسه با دستگاه‌های سنجش خون و پایشگرهای مداوم قند خون (CGM) در سناریوهای مختلفی چون پس از مصرف الکل، شیرینی و بعد از وعده شام ارزیابی شده است. نتایج حلقه CHARM خطای بسیار پایینی را نشان داده و بر اساس معیار شبکه خطای بالینی سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA)، تمامی داده‌های آن در نواحی امن A و B قرار گرفته‌اند که نشان‌دهنده دقت بالا و ایمنی کامل داده‌ها است.

این تیم به جای کانال‌های میکروسیال سنتی که مستعد رسوب نمک و آلودگی هستند، از میکروسیال کاغذی استفاده کرده است. این ساختار کاغذی علاوه بر کاهش چشمگیر هزینه‌های تولید، مانع از گرفتگی مسیرها می‌شود.

کاربرد گسترده در پایش خانگی و بیمارستانی؛ نجات جان بیماران سپسیس

فرایند اعتبارسنجی بالینی ممکن است سال‌ها به طول بینجامد. شرکت‌هایی مانند گوگل، اپل و سامسونگ همواره تصریح می‌کنند که ساعت‌ها و حلقه‌های آن‌ها جایگزین تجهیزات تخصصی پزشکی نیستند؛ اما چشم‌انداز حلقه CHARM هم برای مصارف خانگی و هم برای محیط‌های درمانی طراحی شده است.

ساها با ذکر مثالی بالینی می‌گوید: «این فرم فاکتور در بیمارستان‌ها نیز کاربرد فراوان دارد. برای مثال در بیماران مبتلا به سپسیس (عفونت خون)، سطح لاکتات خون یک نشانگر حیاتی است. سپسیس روندی تدریجی دارد که در آن لاکتات خون ابتدا بالا رفته و سپس به اوج می‌رسد. به‌جای اتصال سیم‌ها و تجهیزات دست‌وپاگیر، یک حلقه هوشمند مانند CHARM می‌تواند با پایش پیوسته لاکتات خون، در صورت بروز جهش‌های نگران‌کننده به کادر درمان هشدار دهد.»

تعمیرپذیری آسان و چشم‌انداز ساخت حلقه هوشمند هیبریدی

یکی از بزرگ‌ترین نقاط ضعف حلقه‌های هوشمند امروزی و حتی ساعت‌های هوشمند با حسگرهای چسبیده، عدم تعمیرپذیری آن‌هاست که در صورت خرابی راهی جز تعویض کامل دستگاه باقی نمی‌گذارد. اما تیم توسعه CHARM ساختار ماژولار و قابلیت تعمیر و تعویض قطعات را در اولویت قرار داده است.

اهداف بعدی پژوهشگران شامل ضدآب‌سازی کامل حلقه، ارتقای طراحی قفل لولایی به یک بدنه یکپارچه، بهبود دوام باتری به چند روز و انجام تست‌های بالینی روی طیف گسترده‌تری از بیماران دیابتی است.

همچنین ایده ادغام حسگرهای نوری با ماژول‌های بیوشیمیایی پایش عرق در دست بررسی است. ساها این چشم‌انداز را حلقه هیبریدی شیمیایی-فیزیکی چندحالته می‌نامد که می‌تواند طی یک یا دو سال آینده به یک پلتفرم پایش سلامت چندمنظوره و کاربرپسند تبدیل شود.

خوشبختانه پروژه CHARM در یک محیط دانشگاهی و تحقیقاتی توسعه می‌یابد و تحت فشارهای تجاری‌سازی زودرس شرکت‌ها قرار ندارد. با اینکه مدتی طول خواهد کشید تا شاهد عرضه تجاری این فناوری در فروشگاه‌ها باشیم، اما بدون شک آینده فناوری‌های پوشیدنی و حسگرهای زیستی با این نوآوری‌ها دگرگون خواهد شد.