Η νέα οπτική τεχνολογία του MIT για smartwatches!

Σύνοψη

• Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν έναν μικροσκοπικό αισθητήρα που επιτρέπει τη μη παρεμβατική μέτρηση γλυκόζης στο αίμα.
• Η συσκευή βασίζεται στη φασματοσκοπία Raman και σε εξειδικευμένα λέιζερ (VCSEL), καταργώντας πλήρως την ανάγκη για βελόνες ή μικροακίδες.
• Οι in vivo δοκιμές απέδειξαν ακρίβεια καταγραφής άμεσα συγκρίσιμη με τους κορυφαίους εμπορικούς αισθητήρες συνεχούς παρακολούθησης (CGM).
• Ο σχεδιασμός επιτρέπει την άμεση ενσωμάτωση του συστήματος σε μελλοντικά smartwatches και φορετές συσκευές υγείας.

Η διαρκής παρακολούθηση των επιπέδων γλυκόζης αποτελεί καθημερινή ρουτίνα για εκατομμύρια διαβητικούς παγκοσμίως. Μέχρι σήμερα, η διαδικασία απαιτεί είτε το παραδοσιακό τρύπημα στο δάχτυλο είτε τη χρήση συστημάτων συνεχούς καταγραφής (Continuous Glucose Monitors – CGM), τα οποία φέρουν μια μικροακίδα που διαπερνά το δέρμα. 

Ερευνητές από το MIT ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός νέου, πλήρως μη παρεμβατικού αισθητήρα, ο οποίος χρησιμοποιεί οπτική τεχνολογία για τη μέτρηση του σακχάρου, ανοίγοντας τον δρόμο για την άμεση ενσωμάτωσή του σε καταναλωτικά smartwatches.

Πώς λειτουργεί η μέτρηση σακχάρου χωρίς τρύπημα;

Η νέα μέθοδος του MIT χρησιμοποιεί ένα κάθετης κοιλότητας λέιζερ εκπομπής επιφανείας (VCSEL) που κατευθύνει υπέρυθρο φως στο δέρμα. Μέσω της φασματοσκοπίας Raman, το σύστημα αναλύει τη σκέδαση του φωτός στα μόρια γλυκόζης, προσδιορίζοντας άμεσα τα επίπεδα σακχάρου στο αίμα. Η καινοτομία καταργεί τις βελόνες, προσφέροντας ακρίβεια εφάμιλλη των εμπορικών αισθητήρων CGM.

Η φασματοσκοπία Raman δεν αποτελεί νέα ανακάλυψη. Εδώ και δεκαετίες χρησιμοποιείται σε χημικά εργαστήρια για την αναγνώριση της μοριακής σύστασης διαφόρων υλικών. Η βασική αρχή είναι απλή: όταν το φως χτυπά ένα μόριο, ένα πολύ μικρό ποσοστό αυτού του φωτός σκεδάζεται σε διαφορετική συχνότητα, ανάλογα με τη δομή του μορίου. Αυτό το «δακτυλικό αποτύπωμα» επιτρέπει τον εντοπισμό της γλυκόζης.

Το πρόβλημα ήταν πάντα η κλίμακα και ο θόρυβος. Το σήμα Raman της γλυκόζης είναι εξαιρετικά ασθενές, ειδικά όταν το φως πρέπει να διαπεράσει τα στρώματα του δέρματος (επιδερμίδα, χόριο) και να επιστρέψει στον αισθητήρα. Μέχρι πρότινος, η ανίχνευση αυτού του σήματος απαιτούσε ογκώδη εργαστηριακά φασματόμετρα, μεγάλα λέιζερ και συστήματα ψύξης, καθιστώντας την τεχνολογία αδύνατη για φορητή χρήση.

Η ομάδα του MIT, με επικεφαλής ειδικούς στη νανοφωτονική και τη βιομηχανική, έλυσε το πρόβλημα σμικρύνοντας την τεχνολογία. Χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ VCSEL, παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στα συστήματα Face ID των smartphones, αλλά ρυθμισμένο σε συγκεκριμένο μήκος κύματος εγγύς υπέρυθρου (near-infrared). Το πραγματικό τεχνολογικό επίτευγμα εντοπίζεται στο φίλτρο πόλωσης που ενσωμάτωσαν. Το φίλτρο αυτό καταφέρνει να απομονώσει τον θόρυβο από το ισχυρό φως του λέιζερ που ανακλάται απευθείας από την επιφάνεια του δέρματος, επιτρέποντας στον ανιχνευτή να διαβάσει αποκλειστικά το ασθενές σήμα Raman που προέρχεται από τη γλυκόζη στον διάμεσο ιστό.

In vivo δοκιμές και σύγκριση με τα σημερινά συστήματα

Για να επιβεβαιώσουν τη λειτουργικότητα του συστήματος, οι ερευνητές προχώρησαν σε in vivo δοκιμές (σε χοίρους, το δέρμα των οποίων έχει παρόμοιες ιδιότητες με το ανθρώπινο). Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, μετέβαλαν τα επίπεδα γλυκόζης στα ζώα και κατέγραφαν τις μετρήσεις ταυτόχρονα με τον νέο οπτικό αισθητήρα και με έναν εμπορικά διαθέσιμο παρεμβατικό αισθητήρα CGM (που απαιτεί υποδόρια ακίδα).

Τα δεδομένα έδειξαν εντυπωσιακή ταύτιση. Ο αισθητήρας Raman κατάφερε να παρακολουθήσει τις αυξομειώσεις του σακχάρου σε πραγματικό χρόνο, χωρίς φυσική επαφή με το αίμα ή τα σωματικά υγρά. Αυτή η εξέλιξη είναι καθοριστική. Τα σημερινά συστήματα CGM, αν και εξαιρετικά χρήσιμα, απαιτούν αντικατάσταση κάθε 10-14 ημέρες. Η κόλλα που χρησιμοποιούν συχνά προκαλεί δερματικούς ερεθισμούς, ενώ η ίδια η ύπαρξη της συσκευής στο χέρι εγκυμονεί τον κίνδυνο αποκόλλησης κατά τη διάρκεια άσκησης ή από κάποια απότομη κίνηση. Ένα smartwatch με ενσωματωμένο οπτικό αισθητήρα καταργεί πλήρως αυτά τα φυσικά εμπόδια.

Η άποψη του Techgear

Η ενσωμάτωση μετρητή σακχάρου στα smartwatches αποτελεί τον μακροχρόνιο στόχο της βιομηχανίας της τεχνολογίας. Εταιρείες όπως η Huawei και η Apple έχουν επενδύσει δισεκατομμύρια σε αντίστοιχες οπτικές τεχνολογίες, χωρίς ωστόσο να έχουν παρουσιάσει μέχρι σήμερα ένα αξιόπιστο εμπορικό προϊόν, αν και η Huawei βρίσκεται πλέον πολύ κοντά στο να τα καταφέρει.

Το επίτευγμα του MIT αποδεικνύει ότι οι φυσικοί περιορισμοί του σήματος Raman μπορούν να ξεπεραστούν μέσω της έξυπνης μηχανικής και του συνδυασμού εξαρτημάτων που βρίσκονται ήδη σε γραμμές μαζικής παραγωγής (όπως τα VCSEL).

Φυσικά, η απόσταση από το εργαστήριο μέχρι τον καρπό του καταναλωτή απαιτεί χρόνο. Ο αισθητήρας θα πρέπει να μικρύνει περαιτέρω για να χωρέσει στο σασί ενός ρολογιού, να βελτιστοποιηθεί η κατανάλωση ενέργειας ώστε να μην αδειάζει η μπαταρία σε λίγες ώρες, και το σημαντικότερο, να λάβει τις αυστηρές εγκρίσεις από τους ιατρικούς οργανισμούς (FDA στις ΗΠΑ, EMA στην Ευρώπη) ως διαγνωστική συσκευή.