Как мобильные устройства превращаются в медицинские приборы и целые лаборатории

Повсеместное распространение смартфонов позволяет множеству разработчиков во всем мире искать этим устройствам самые разные применения. Одно из наиболее интересных и полезных направлений такого рода — создание медицинских приборов на базе мобильных устройств. Они позволяют пациентам следить за своим самочувствием без посещения врача, а медицинским специалистам — проводить сложные виды диагностики «в поле», когда громоздкие и дорогие приборы для визуализации и лабораторной диагностики по разным причинам недоступны.

На каждый день

Относительно простые устройства, превращающие смартфон в медицинский прибор, присутствуют на рынке уже не первый год, и между их производителями успела сложиться определенная конкуренция. Примерами таких приборов могут служить портативные электронные стетоскопы, кардиографы и глюкометры.

Стетоскопы

Так, частная медицинская компания Orlando Healthвыпускает подключаемый к смартфону датчик-стетоскоп HeartBuds. В клинических испытаниях он не уступил в регистрации сердечных и сосудистых шумов лучшим традиционным фонендоскопам и значительно превзошел одноразовые устройства.

HeartBudsне только воспроизводит аускультативные звуки, но и выводит их графическоеотображение на экран смартфона. Пользоваться устройством могут и сами пациенты,пересылая результаты выслушивания лечащему врачу.

Аналогичное устройство, разработанное в Японии, может нетолько регистрировать звуки, но и распознавать болезни органов дыхания спомощью мобильного приложения Respiratory Sounds Visualizer.

Hiroshima University

Оно должно появиться на рынке в ближайшее время.

Кардиограф

Также с помощью смартфона можно снять ЭКГ. Предназначенный для этого прибор AliveCor Kardia Mobile ECG крепится к задней крышке смартфона и регистрирует кардиограмму с кончиков пальцев, анализируя ее специальным приложением.

Система предназначена в первую очередь для диагностики аритмий.

Недавно появилась также версия этого устройства, совместимая с Apple Watch.

Тонометр

Для кардиологических пациентов предназначен и модуль CardioDock. Он превращает смартфон в портативный тонометр — прибор для измерения артериального давления.

Medisana AG

Стоит он не больше обычных электронных тонометров, но гораздо более компактен.

Глюкометры

Еще одно медицинское применение смартфонов — мониторинг уровня глюкозы в крови. Он необходим всем пациентам с диабетом, которые вводят себе инсулин. Для самостоятельного проведения анализа на сахар крови давно существуют портативные глюкометры, но зачем нужен отдельный прибор, если с этой задачей может справиться смартфон? Поэтому разработчики, такие как MyStar, AkibaH и другие, создали и совершенствуют глюкометрические системы для мобильных устройств.

Они могут представлять собой девяти граммовый плагин для iPhone

iBGStar. MyStar

или чехол, в котором, помимо самого прибора, находятся тест-полоски и скарификаторы для забора крови.

Существуют и другие версии смартфонов-глюкометров.

Отоскоп

Компания CellScope разработала устройство Oto, превращающее смартфон в отоскоп — прибор для обследования наружного слухового прохода и барабанной перепонки.

Oto Pro. CellScope

Он выпускается в пользовательской (она содержит наглядные инструкции по использованию) и профессиональной (с пневмоотоскопом для диагностики воспаления среднего уха) версиях.

УЗИ

Могут смартфоны выполнять задачи и посложнее. Например,компания MobiSante выпускает полноценный УЗИ-сканер для мобильных устройств.

MobiSante

Ее система MobiUS SP1 весит всего 340 граммов, но по возможностям почти не уступает «большим» аппаратам. И стоит значительно меньше.

На пути к трикордеру

Еще более амбициозную цель поставила перед собой компания Scanadu. Она разрабатывает универсальное диагностическое устройство на базе смартфона.

Нынешняя версия прибора Scout может регистрировать пульс, ЭКГ, частоту дыхания, насыщение крови кислородом и температуру тела с помощью компактного датчика, прикладываемого к виску.

Полевая микробиология…

В отличие от перечисленных «повседневных» устройств,мобильные системы для диагностики инфекций пока не вышли из стадииэкспериментов. Но это не значит, что в этой области нет интересных разработок ссамыми разными принципами работы.

Мобильная ELISA

Так, в Колумбийском университете создали микрофлюидную систему для экспресс-диагностики заболеваний, передающихся половым путем, с помощью смартфона.

Она способна выполнить фермент-связанный иммуносорбентный анализ (ELISA) на ВИЧ-инфекцию и сифилис за 15 минут по одной капле крови. Необходимую для работы энергию система получает от мобильного устройства.

Два часа и два доллара

Исследователи из Гарварда с коллегами разработали еще более универсальную систему. Она усиливает РНК бактерий методом ПЦР и анализирует еепо комплементарному «ключу» ДНК. При нахождении в растворе искомого генетического материала «ключ» инактивирует ДНК-полимеразу и стабилизирует репортерную ДНК, которая приобретает высокую флуоресцентную анизотропию, что регистрируется прибором. Вся система представляет собой четыре двухсантиметровых пластиковых кубика на подложке-детекторе, она подключается к смартфону по Bluetooth.

A — принцип действия, В — картридж для экстракции РНК, С — диагностическая система, D — приложение для смартфона. Park et al., Sci. Adv., 2016

Анализ, получивший название поляризационно-анизотропной диагностики, занимает два часа. По оценкам разработчиков, при массовом производстве стоимость одного исследования составит всего около двух долларов.

Амплификация в термокружке

Еще одно устройство для ДНК-диагностики инфекций с помощью смартфона, созданное в Университете Пенсильвании, основано на петлевой изотермической амплификации (LAMP) нуклеиновых кислот. Анализ проводится в обычной термокружке, нагреваемой термоэлементом из сплава магния с железом.

Внешний вид устройства и термоэлемента. Shih-Chuan Liao et al., Sensors and Actuators B, 2016

Визуализация результатов LAMP в реальном времени проводится путем регистрации флуоресценции образца. Для этого разработчики вмонтировали в крышку-держатель для смартфона фильтр возбуждения и эмиссионный фильтр, которые позволяют пользоваться вспышкой и камерой смартфона.

…и онкология

Экспресс-диагностика рака в любых условиях не менее важна,чем выявление инфекций. И в этой области ведутся свои разработки.

Не 3D, а D3

Насадками на смартфон, которые превращают его камеру в микроскоп, уже, пожалуй, никого не удивишь. Исследователи из Гарварда и Массачусетской больницы общей практики пошли дальше и превратили такой микроскоп в экспериментальную систему D3 (Digital Diffraction Diagnosis) длявыявления в образце тканей раковых клеток.

Схема работы системы D3. Hyungsoon Im et al., PNAS, 2015

Для этого образец инкубируют с микрогранулами, которые связываются с клетками опухоли, после чего помещают под микроскоп и фотографируют. После этого приложение передает снимок на сервер, где алгоритм анализирует дифракционную картину структуры микрогранул и в течение часа дает заключение.

Катящееся кольцо

Коллектив ученых из Швеции и США разработал мобильную систему для диагностики некоторых форм рака по характерным для них мутациям ДНК. Выявление искомого мутантного гена происходит методом репликации по типу катящегося кольца (rolling circle replication): из ДНК вырезают ген,потенциально содержащий мутации, и наносят его на подложку с короткими ДНК-«зондами». При наличии мутации ген комплементарно связывается с зондом, а также фрагментом, содержащим флуоресцентную метку, после чего закольцовывается.Получившаяся кольцевая ДНК амплифицируется с образованием такого количества меток, которого достаточно для регистрации подключенным к смартфону флуоресцентным микроскопом.

Схема устройства, а также описание подхода, лежащего в основе анализа мутантной ДНК. Malte Kühnemund et al., Nature Communications, 2017

В эксперименте система определяла мутантную ДНК в фемтомолярных концентрациях, причем для анализа подходила как выделенная нуклеиновая кислота,так и неочищенный образец ткани, полученный при биопсии.

Будущее, скоро

Число медицинских разработок на базе смартфонов растет с каждым годом, и все их вместить в один обзор невозможно (например, мы не рассказали о планах по созданию мобильного инфракрасного томографа). Ясно одно: телемедицинское будущее, в котором смартфон-диагностика и удаленная консультация во многих случаях смогут заменить реальный визит к врачу, уже не за горами. Как и диагностические лаборатории, которые можно унести в рюкзаке.

Автор: Олег Лищук