Το μέλλον είναι εδώ!
Οι βιοαισθητήρες εχουν γινει θεμα μελέτης στην Οδοντιατρική και άλλες επιστήμες από την παλιότερα χρόνια.Με δέος θυμάμαι την τεράστια συσκευή καταγραφής κίνησης της Siemens (Sirognathograph) που ήταν το εργαλείο του ερευνητικού μου προγράμματος του μεταπτυχιακού μου . (φωτο1).
Την τελευταία δεκαετία όμως με την εξέλιξη της νανοτεχνολογίας έχει λάβει χώρα τεράστια εξέλιξη με αποτέλεσμα την δημιουργία ενδοστοματικών φορητών αισθητήρων για ευρεία και όχι μόνον ερευνητική χρήση.
Ταυτόχρονα με την εξέλιξη των αισθητήρων σε διαγνωστικές δυνατότητες η μικροηλεκτρονική συνεχώς μικραίνει τις διαστάσεις τους καθιστώντας τους σύγχρονους αισθητήρες φορητούς και μικρούς .Σε μελέτες η εξέλιξη στην διάγνωση μέσω των φορητών αισθητήρων (πχ.holter) έχει βελτιώσει δραματικά την επιβίωση των ασθενών. Σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη τους ήταν η μείωση του κόστους, η βελτίωση των μπαταριών τους ,η μείωση της κατανάλωσης των επεξεργαστών τους αλλά και η εξέλιξη πρωτοκόλων συνδεσιμότητος IEEE 802.15.4/ZigBee και Bluetooth.Ετσι όλοι σύγχρονοι αισθητήρες συνδέονται (εξ αποστασεως) με άλλες συσκευές για επεξεργασία και αποθήκευση των δεδομένων τους μέσω ειδικών εφαρμογών. Οι αισθητήρες αυτοί το 2014 είχαν μέγεθος 2×2 cm2. Το μέγεθος τώρα είναι 1×1 cm2.Ιδιου μεγέθους είναι και η επαναφορτιζόμενη μπαταρία πολυμερούς-λιθίου που έχει πλέον την διάρκεια 24 ωρών. Με το Bluetooth της συσκευής (χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με το WiFi) περνούν τα δεδομένα σε κάποια συσκευή (PC ,Smartphone) που διαθέτει την κατάλληλη εφαρμογή για επεξεργασία των δεδομένων Η επαναφόρτιση με ταχυφορτιστή διαρκεί μόλις 10-15 λεπτά.
Με την εξέλιξη της αναλυτικής χημείας η διάγνωση ασθενειών μέσω της ανάλυσης του σιέλου έχει προχωρήσει σημαντικά
Ηλεκτρομηχανικός αισθητήρες έχουν εξελιχθεί εμπορικά από την Sony και τους Dudde et al.Ανιχνεύει τα επίπεδα της γλυκόζης(ευρος από 1.1–10.1 mg/dL)απο το σάλιο γιατί σε διαβητικους τα επίπεδα γλυκόζης (στο σάλιο) είναι σημαντικά υψηλότερα σε σχέση με τους υγιείς.Τα αποτελέσματα είναι ανάλογα αν και όχι τόσο ακριβή σε σχέση με τις αιματολογικές εξετάσεις . Το μικρό μέγεθος του δίνει την δυνατότητα τοποθέτησης σε προσθετικές εργασίες, η σε αθλητικό νάρθηκα .Ενα νεότερο μοντέλλο δίνει δυνατότητα συγκόλλησης του γλωσσικά των προσθίων δοντιών (US Patent Office 10/ 2012 Dr. Ozlem Kalinli-Akbacak).
Υπάρχουν σήμερα αισθητήρες για καταγραφή βιοχημικών δεδομένων από το σάλιο όπως επίπεδα γλυκόζης,λακτάσης,φωσφατάσης,κορτιζόλης,τεστοστερόνης ,οιστρογόνα,αλκοόλ.Ταυτόχρονα όμως εξελίσσονται αισθητήρες με δυνατότητες καταγραφής της κίνησης αλλά και της φυσιολογίας του ασθενούς. Σύχρονες εφαρμογές (Yavuz et al) περιλαμβάνουν μελέτη της κινησης του ασθενούς ώστε να προλαμβάνεται η πτώση τους και τα ατυχήματα. Οι Steele et al και Belza et al με αλγοριθμικές εφαρμογές καταγράφουν τρισδιάστατα την ανθρώπινη κίνηση και επιτάχυνση. Ο συνδυασμός καταγραφής της φυσιολογίας και της κίνησης οδήγησαν σε εφαρμογές διάγνωσης όχι μόνον του τύπου της δραστηριότητος αλλα και της έντασης αυτής. Οι Furlanetto et al και Patel et al. έδειξαν ότι ενας πολυαισθητήρας μέσω της καταγραφής της κίνησης και των βιοχημικών τιμών του σάλιου μπορούσαν να καταγράψουν με ακρίβεια την απώλεια θερμίδων
Αισθητήρες του σιέλου
Το σάλιο επειδή περιέχει πολλούς βιολογικούς δείκτες σήμερα θεωρείται υλικό ανίχνευσης διαφόρων ασθενειών(υπολείπεται όμως των αιματολογικών εξετάσεων).Ο έλεγχος γίνεται από το ολικό σάλιο και όχι από τους επιμέρους αδένες (υπογλώσσιος, υπογνάθιος, παρωτίδα ).
Ανιχνεύονται τα κάτωθι βιοχημικά δεδομένα από το σάλιο:
Γλυκόζη
Ο πρώτος αισθητήρας γλυκόζης δημιουργήθηκε από τους Clark and Lyons.Ενδοστοματικά βέβαια μια και η περιοδοντική νόσος εχει επιπολασμό ανάμεσα στους διαβητικούς , από το ουλικό υγρό αισθητήρας μπορεί να καταγράψει τις αλλαγές στα επίπεδα γλυκόζης,, Continuous monitoring of glucose is for example very important in diabetic patients
Λακτίδιο του σιέλου
Είναι μεγάλης σημασίας στην αθλητιατρική με σκοπό την μεγιστοποίηση της απόδοσης των αθλητών.Ετσι η συνεχής καταγραφή των επιπέδων της CBL δίνουν την δυνατότητα της ρύθμισης της έντασης της άθλησης .Επιπλέον υπάρχει σαφής συσχετισμός με την γλυκόζη.
Φωσφατάση του σιέλου
Η μέτρηση της ενδογενούς φωσφατάσης μέσω του σιέλου είναι χρήσιμη σε περίπτωση που υπάρχουν ψηλά επίπεδα (υπερφωσφαταιμία) και δεν υπάρχει διάγνωση με σπεκτροφωτομετρία η χρωματογραφία.
Αλφα Αμυλάση
Από τα πλέον σημαντικά ένζυμα είναι η αλφα αμυλάση (sAA), Φαίνεται ότι είναι δείκτης stress φυσικού η ψυχολογικού .
Ορμόνες στον σίελο
Πολλές ορμόνες που ανιχνεύονται στο πλάσμα μπορούν να ανιχνευτούν από το σάλιο όπως η τεστοστερόνη,θυληκές ορμόνες όπως η προγεστερόνη και οισταδιόλη και μη στεροειδείς ορμόνες όπως η κατεχολαμίνη
Αντισώματα
Αντισώματα σε βακτήρια όπως Helicobacter pylori,Leptospirosis, HIV,Candida albicans, αλλά και διάγνωση σε λοίμωξη του γαστρενερικού από παράσιτα όπως Entamoeba histolytica , Trichuris trichiura, Ascaris lumbricoides,και Toxoplasma gondii
Καρκινικοί δείκτες
Ιδιαίτερα Ca του στόματος του παγκρέατος,των πνευμόνων,στήθους και ήπατος. Οι Zhang et al. εδειξαν ότι η μέτρηση (Biacore SPR system )τεσσάρων messenger RNA καρκινικών δεικτών( KRAS, MBD3L2, ACRV1, and DPM1) , στο σαλιο με ακρίβεια διαγιγνώσκουν τον Ca του παγκρέατος.Σε ανάλογες έρευνες άλλοι δείκτες διαγιγνώσκουν το Ca πνευμόνων και στήθους.Λογω της χαμηλής περιεκτικοτητος στο σάλιο οι εφαρμογή τους είναι σε πρώιμο στάδιο και με μικρη ακρίβεια.Οι έρευνα όμως συνεχίζεται με μεγαλύτερη ορμή μια και η έγκαιρη διάγνωση του Ca από το σάλιο από ένα φερόμενο ενδοστοματικό αισθητήρα θα ήταν ένα πολύ σημαντικο σταδιο στην μαχη κατά του Ca.
Αν και οι περισσότεροι αισθητήρες έχουν εξαιρετική ευαισθησία και ακρίβεια μεγάλη προσπάθεια δίνεται στην τεκμηρίωση του συσχετισμού με ασθένειες, εξέλιξη ανάλογων εφαρμογών αλλά και στην σμίκρυνση .Με την συνεχή εξέλιξη στους τομείς των proteomics του bioengineering και της αναλυτικής χημείας φαίνεται ότι η διάγνωση με ενδοδοτοματικούς αισθητήρες θα έχει σύντομα μεγάλη εξέλιξη. Η εξέλιξη αναμένεται στην έτι περαιτέρω μείωση των διαστάσεων,την δυνατότητα μεγαλύτερης ευαισθησίας σε βιοχημικούς δείκτες, την ανάλυση των δεδομένων, την αυτονομία και την μεγαλύτερη διάρκεια στην μπαταρία ώστε να είναι εφικτή η πιο μακρόχρονη καταγραφή δεδομένων του ασθενούς.
Αισθητήρες κίνησης
Οι αισθητήρες που ανιχνεύουν κίνηση διαθέτουν δυνατότητα καταγραφής σε 9 άξονες ,3 στην επιτάχυνση,3 γυροσκοπικούς και 3 μαγνητικούς (κατεύθυνσης). Ο αισθητήρας της Analog Devices ADXL377 f καταγράφει επιτάχυνση από κίνηση,κτύπημα κ δόνηση με εύρος ±50 g to ±6000 g .
Ο Dr. Fong Wong. (Un. of Florida) εχει εξελίξει αισθητήρα κίνησης πολύ μικρού μεγέθους που για την ενδοστοματική του τοποθέτηση ,χρησιμοποιείται αθλητικός νάρθηκας.(φωτο 3)
Ετσι ,η ομάδα των Jayhawks του Kansas από το 2015 δοκιμάζει τους νέους νάρθηκες που αντιλαμβάνονται την ένταση του κτυπήματος,προλαμβάνοντας τους αθλητές από έλλειψη διάγνωσης διασείσεων (φωτο 4). Τα NCAA καί Department of Defense διεξάγουν μελέτες με δείγμα 25,000 αθλητών από 16 σχολείαs — Nebraska, Michigan, Wisconsin, Princeton, North Carolina, Pittsburgh, Virginia Tech, Georgia, Florida, UCLA, Washington, Oklahoma, Air Force, Army, Navy και Coast Guard –βασισμένοι στην δυνατότητα των έξυπνων ναρθήκων να ανιχνεύουν εγκαίρως βίαια κτυπήματα και να επιβάλλουν έγκαιρη θεραπεία.
Με τους αισθητήρες κίνησης επιπλέον είναι δυνατή η καταγραφή παραλειτουργιών όπως ο βρουξισμός που μέχρι σήμερα γινόταν σε ειδικά κέντρα ύπνου η με ειδικούς μυογράφους.Η εισαγωγή νάρθηκα με αισθητήρα είναι λιγότερο επεμβατική ,περισσότερο αποδεκτή από τον ασθενή και σαφώς φθηνότερηΗ νέα αυτή τεχνολογία πλεονεκτεί γιατί μπορεί να συνδυασθεί ,εκτός από νάρθηκες με άλλες προσθέτικές και ορθοδοντικές συσκευές.Η εξέλιξη φαίνεται ότι οδηγεί γρήγορα σε μικρότερου μεγέθους αισθητήρες και δυνατότητες καταγραφής διαφόρων παραμέτρων όπως συχνότητα και χρόνος χρήσης των συσκευών,δυνάμεις κατά την επαφή,τον βρουξισμό αλλά και βιομετρικών χαρακτηριστικών. Αλλοι αισθητήρες μπορούν σήμερα να καταμετρούν τους σφυγμούς, την θερμοκρασία .Ετσι κατά την έντονη άσκηση οι αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν τους αυξημένους σφυγμούς και την μείωση της ποσότητα του σάλιου.Με κατάλληλους αλγόριθμους αυτό δείχνει την ένδειξη της αφυδάτωσης.Το όλο πακέτο είναι ενσωματωμένο στο EVA η PMMA των ναρθήκων η αλλων συσκευών. Στους επιταχυντές κίνησης είναι απαραίτητη η συσκευή να είναι σταθερή .Σήμερα εταιρείες (Reebok , MC10) διαθέτουν στο εμπόριο αθλητικούς νάρθηκες με εξαιρετική εφαρμογή και ενσωματωμένο γυροσκοπικό αισθητήρα ( STMicroelectronics 3G4200D ) .Επιπλέον Δίδουν αδιαβροχοποίηση και επάρκεια της μπαταρίας ανω των 24 ωρών.
Οι αισθητήρες πλέον είναι τμήμα της Οδοντιατρικής και Ιατρικής.Υπάρχουν σήμερα πολυάριθμοι φορείς που μελετούν και εξελίσσουν τις εφαρμογές τους ,όπως BIOTEX(Ευρωπαική Ενωση),Technology Research for Independent Living (TRIL) ( Ireland), TigerPlace (Missouri), the Oregon Center for Aging and Technology (ORCATECH) , το Un. of Rochester Center for Future Health ,το Un. of Florida και το AALIANCE(Ευρωπαικα Πανεπιστήμια, Ινστιτούτα και Εταιρείες).Με την φορητότητα και την ευαισθησία τους θα δίδουν πιο έγκαιρη διάγνωση αλλά και εξ αποστάσεως έλεγχο από τους ειδικούς .Ηδη υπάρχουν αισθητήρες και εφαρμογές για καταγραφή ασθενών με προβλήματα όπως το Παρκινσον (Salarian et al) ,άπνοια ύπνου,έλεγχο της λήψης φαρμακευτικής αγωγής αλλά και εφαρμογές για προστασία των αθλητών από ατυχήματα αλλά και βελτίωση των επιδόσεων τους. Το μέλλον είναι εδώ!