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Le capteur biométrique adresse l'hypoxie infantile

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Le capteur biométrique adresse l'hypoxie infantile

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Introduction

Les capteurs biomédicaux existent à l'interface entre la physiologie médicale et l'ingénierie électronique. Pour être médicalement valides et utiles, ils doivent détecter des phénomènes biologiques appropriés et dépeindre les données a produit en quelque sorte intuitivement compréhensible et recevable par les médecins praticiens. Pour être technologiquement réalisables et dignes de confiance, ils doivent être conçus et construits utilisant les meilleurs méthodes de génie industriel, composants, et techniques de fabrication.

Le crochet est : qui est préparé pour faire la découverte et l'invention requises pour les produire ? Comment fait un devenu instruit et qualifié dans l'éventail de processus qui doivent être combinés dans les systèmes biomédicaux de capteur ? Y a-t-il des phénomènes devant toujours être découvert ? Y a-t-il de nouveaux capteurs médicaux importants devant toujours être inventé ?

C'est le premier d'une série en deux parties d'articles sur la découverte et le développement des capteurs médicaux nouveaux. Cet premier article décrit notre découverte et exploration initiale d'un nouveau signal biométrique obtenu en détectant des variations dans l'absorption de deux longueurs d'onde de lumière de LED dans le tissu de peau. Le deuxième article présente une certaine expérience acquise au sujet du processus de la préparation pour découvrir et inventer dans ce secteur technologique.

Un nouveau capteur biométrique

Ce journal est orienté sur des ingénieurs, et principalement des foyers sur des capteurs de la perspective technique. Cependant, à moins qu'activement informé des cliniciens, les ingénieurs sont susceptibles d'être inconscients des besoins médicaux imprévisibles de technologie. D'autre part, la plupart des cliniciens sont non informés au sujet des solutions technologiques possibles, et sont formés pour faire le meilleur qu'ils peuvent avec celui qui soit donné pour elles. Malheureusement, le soin critique des nourrissons nouveau-nés prématurés est doublement compromis en raison de sa importance du marché économique très petite et, en conséquence, ressources très limitées pour le développement des technologies médical, et une direction tout naturellement conservatrice des cliniciens de subspecialist qui sont peu disposés à suggérer le développement des approches de nouvelle technologie pour ce secteur à haut risque de médecine.

Pendant l'éducation d'étudiant préparant une licence en microbiologie, suivie de la Faculté de Médecine, de la résidence pédiatrique, et de l'entrée dans la pratique en matière pédiatrique générale de médecin, l'auteur s'est rendu compte de plus en plus de l'espace croissant entre la capacité de la technologie médicale développée pour les patients adultes, et des capacités limitées de la technologie étant offerte pour le soin critique des nourrissons et des enfants. Au delà des questions plus évidentes de l'adaptation à l'échelle physique minuscule, il y a plusieurs problèmes de santé critiques qui sont uniques aux nourrissons nouveau-nés prématurés, qui ne peuvent pas être en juste proportion empêchés, détectés, ou traités avec la technologie orientée adulte adaptée. Un du plus important de ces secteurs implique la gestion de l'utilisation de l'oxygène.

L'hypothèse commune est que les nourrissons nouveau-nés sont particulièrement vulnérables à l'oxygène insuffisant, ou hypoxie, et que l'hypoxie cause directement le dommage au cerveau, la cécité, et la blessure intestinale. Malheureusement, comme sera discuté ci-dessous, nous avons découvert de nouvelles preuves que ces blessures dévastatrices sont plus probables le résultat de livrer trop d'oxygène aux tissus vulnérables dans des conditions de crise. Ce problème s'avère être pas tellement un défi de construction, car c'est une faute dans la communication interprofessionnelle, et montre un besoin urgent pour la découverte et l'invention visées de la nouvelle technologie.

Malheureusement, la R&D active des capteurs de l'oxymètre d'impulsion (SpO2) avait déjà transformé en contrôle de qualité de fabrication et la retenue de coût au sujet de l'utilisation clinique de temps avec des nourrissons a été commencée. Davantage d'innovation, spécifiquement dans les capteurs de mode de réflectivité qui seraient plus appropriés aux prématurés, a été discontinuée par Nellcor en 1989. La seule option disponible pour des soins intensifs infantiles était, et continue à être, les capteurs de style du bout du doigt adultes placés sur le pied ou la main du nourrisson. Cette approche laisse l'unique-preemie suivant les besoins médicaux imprévisibles :

Les objets façonnés de mouvement de capteur ont comme conséquence de fausses alertes excessives, et retardé et ont manqué de vraies alarmes ;

Aucun moyens simultanés et continus de comparer la saturation pré-ductal de l'oxygène de sang artériel à la saturation courrier-ductal de l'oxygène de sang artériel ;

Aucun moyens de détecter l'hyperoxie de tissu ; et, donc

Aucun moyens rationnels d'empêcher l'oeil, le cerveau, et les blessures liés à l'effort oxydants d'intestin dans les preemies.

Avec peu d'effort d'industrie de dispositif médical dans le développement des capteurs d'oxymètre spécifiquement de répondre à ces besoins uniques des prématurés en 1989, l'auteur a commencé sa recherche pour une conception appropriée de capteur du mode SpO2 de réflectivité. Le placement du capteur sur le pied ou la main du nourrisson est problématique, puisque ce sont les sites très actifs, particulièrement pendant des épisodes pleurants quand le statut de l'oxygène du nourrisson peut être concerné la plupart. Le placement d'un capteur de mode de réflectivité sur le tronc antérieur moins actif rencontrerait vraisemblablement beaucoup moins d'objet façonné de mouvement.

Physiologique, avec les nourrissons nouveau-nés prématurés, deux capteurs SpO2 sont nécessaires pour dépister la transition de foetal aux voies aérobies de circulation du sang. Les emplacements les plus appropriés pour ces capteurs seraient le coffre antérieur supérieur droit (pré-ductal), et l'abdomen antérieur à gauche inférieur (courrier-ductal). Les deux capteurs également, de façon optimale, emploieraient les mêmes longueurs d'onde centrales de la lumière de LED et pré-seraient calibrés pour être aussi équivalents comme possible. Le placement de capteur sur le coffre et l'abdomen réduirait au minimum également l'à retard de temps entre un changement central d'oxygénation de sang et la détection du changement par les capteurs.

Malheureusement, cela laisse toujours le métabolisme de l'oxygène de tissu, spécifiquement la détection de la livraison excédentaire de l'oxygène de tissu, et l'organe vital en résultant vasculaire et la blessure de tissu, sans couverture. Même dans la médecine et la chirurgie adultes, la blessure d'oxydant-effort demeure une cause première des blessures d'ischémie/ré-perfusion (IRI) liées à la course, une crise cardiaque, et une greffe d'organe extrêmement importantes, mais encore-non résolues. Les prématurés subissent uniquement des préjudices d'oxydant-effort de dévaster à la microvascularisation des rétines des yeux, du cerveau, et de l'intestin. L'hyperoxie de tissu ne peut pas être détectée par l'impulsion oximetry, qui détecte seulement la saturation de l'oxygène du sang artériel. La prévention d'IRI a besoin apparemment de la capacité de surveiller pour, et empêche, la livraison de relativement trop d'oxygène à la microvascularisation d'organe vital.

L'étude soigneuse et une certaine pensée au sujet de la conception photonique des capteurs existants ont identifié un problème possible de conception avec l'art. antérieur. L'occasion d'établir et examiner une solution possible à ce problème s'est présentée en 1999 et, avec l'assistance de l'ingénierie d'Excalibur, LLC, Logan, Utah, une série de machiner des capteurs de prototype a été établie et essai au banc. Les essais de défi de Hypoxemia, où le sujet a brièvement respiré le gaz d'azote, ont montré que le nouveau capteur avait une réponse SpO2 très robuste et apparent précise en comparaison des données simultanées d'un capteur SpO2 médical. Cependant, le graphique de LabVIEW a indiqué des réponses inattendues dans les données brutes de capteur qui ne pourraient pas être expliquées par des réponses spectrales éditées dues à la saturation de l'oxygène de sang.

Ce phénomène inattendu de réponse a été récemment confirmé et prolongé pour explorer la réponse photonique du tissu de peau à respirer brièvement l'oxygène supplémentaire, qui a eu comme conséquence la découverte de ce qui semble être des moyens rapidement réactifs, robustes, et non envahissants de détecter l'hyperoxie de tissu qui n'a pas précédemment été rapportée ou disponible sous aucune forme. « Les capteurs de l'oxygène de tissu » existants ne peuvent pas déterminer que la livraison actuelle de l'oxygène au tissu est optima pour le métabolisme de tissu, car le capteur actuel semble faire. De plus, la réponse de notre capteur à l'azote brièvement de respiration revient uniformément à la ligne de base aussi rapidement qu'elle se développe.

Cependant, la réponse du signal du capteur à quelques souffles de l'oxygène persiste pendant plusieurs heures ; longtemps après le retour d'un niveau de la gamme normale SpO2. Nous interprétons ce dernier modèle photonique de signal comme indication que les réactions biochimiques dues à l'oxygène excédentaire ont brièvement fournie au tissu de peau sont des blessures oxydantes niveau moléculaire dues aux espèces réactives de l'oxygène (ROS), qui ont besoin de plusieurs heures pour réparer avant le renvoi à la ligne de base qui a existé avant l'exposition excédentaire de l'oxygène. Ainsi, nous croyons ceci a récemment découvert que la réponse photonique de signal d'hyperoxie de tissu de peau est la réponse principale qui doit être évitée dans beaucoup d'applications médicales critiques, telles que le soin des prématurés, et pendant la ressuscitation et le soin des conditions IRI-enclines dans les patients de tous les âges et tailles.

Radio de capteur de l'index de physiologie de conception de référence (pi), moniteur portable d'athlète.

Radio de capteur de l'index de physiologie de conception de référence (pi), moniteur portable d'athlète.

La conception photonique du indiquent le capteur de pi des biocapteurs.

La conception photonique du indiquent le capteur de pi des biocapteurs.

Réponse de pi à l'azote brièvement de respiration.

Réponse de pi à l'azote brièvement de respiration.

Réponse de pi à l'oxgène brièvement respirable.

Réponse de pi à l'oxgène brièvement respirable.

Le modèle robuste et complexe de la réponse de notre nouveau capteur à l'exercice physique a également été très intéressant et instructif. Cette réponse montre apparemment le coût physiologique actuel de l'effort de l'athlète, et un changement unique de ligne de base de signal au fil du temps qui semble se corréler avec le début de la fatigue pendant l'exercice lourd prolongé.

Typiquement, la réponse photonique initiale de signal pendant l'échauffement est que la peau devient rapidement relativement hypoxique (c.-à-d. anaérobie), comme quand le gaz d'azote est brièvement inhalé, car la perfusion artérielle de la peau est réfléchi détournée pour fournir des muscles et plus d'organes vitaux. Cependant, car l'exercice continue, il y a une tendance photonique de signal vers le modèle vu avec l'hyperoxie de tissu de peau, aussi quand l'oxygène excédentaire est inhalé ; quoique le SpO2 reste constant tout au long de la période d'exercice. Depuis ce signal les réponses se produisent en dépit des valeurs invariables du moniteur SpO2, nous croient que cette réponse de signal pendant l'exercice indique le règlement dynamique de la chimie de conversion d'énergie dans la peau.

La tendance pendant l'exercice prolongé peut également être interprétée comme adaptation réglée de l'activité antioxydante dans le tissu de peau, en réponse à l'effort physiologique de la perfusion diminuée induite par exercice. Ces nouvelles données ont été examinées par plusieurs entraîneurs professionnels et athlètes d'élite parmi les meilleurs du monde, qui concourent fortement que cette nouvelle information de l'index de physiologie (pi) est plus fonctionellement appropriée que la fréquence cardiaque et la variabilité de fréquence cardiaque en évaluant la qualité des régimes d'exercice et de récupération.

Tendance de pi pendant des 30 minutes, exercice stationnaire de bicyclette de 3 intervalles.

Tendance de pi pendant des 30 minutes, exercice stationnaire de bicyclette de 3 intervalles.

Nous croyons que les nouvelles analyses remarquables obtenues en surveillant des athlètes peuvent être logiquement égalisées aux efforts produits par les prématurés pendant le travail et accouchement. Notre capteur prouve que le tissu de peau des athlètes adultes en bonne santé devient immédiatement fortement hyperoxic lors d'arrêter l'exercice lourd prolongé, quand la peau re-est inondée par plein écoulement de leur sang artériel normal de saturation de l'oxygène. Il est, donc, raisonnable de supposer qu'un vers le bas-règlement semblable de l'activité antioxydante de tissu se produit dans le corps entier d'un foetus pendant l'effort causé par le travail qui est assez grave pour avoir comme conséquence les diminutions de la fréquence cardiaque !

Cette détresse causée par le travail est très pour avoir comme conséquence des adaptations de réponse de survie pour permettre la tolérance de la livraison plus à faible teneur en oxygène. Cependant, cette adaptation peut également préparer le terrain pour des blessures comme IRI de dévaster potentiellement aux organes vulnérables, y compris les yeux, le cerveau, et l'intestin, quand l'oxygène nouveau-né de sang est rapidement augmenté au-dessus de la tolérance de la livraison de l'oxygène des tissus vulnérables.

Avec le manque actuel d'un biocapteur capable de détecter l'occurrence de l'hyperoxie de tissu, les cliniciens ont seulement l'impulsion oximetry, adapté des soins médicaux adultes, de guider la saturation artérielle de l'oxygène du nourrisson dans » une gamme nouveau-née « normale. Les documents médicaux actuels prouvent clairement que, particulièrement pour les prématurés, la gestation de moins qu'environ 30 semaines, demeure là une importante, seulement partiellement contrôlable, risque de blessure d'effort oxydante utilisant la technologie actuelle et méthodes.

Conclusion

Notre chemin d'affaires courantes est de développer au commencement un module portable sans fil de capteur de conception de référence à porter dans un brassard sur le bras. Nous autoriserons alors la technologie des sondes aux fabricants des systèmes de contrôle de sports, parce que la barrière d'entrée à ce marché est moins grave que le marché réglementation de dispositif médical. Cependant, nous croyons que cette nouvelle technologie de biocapteur doit finalement être intégrée avec les systèmes essentiels existants de capteur de surveillance de fonction pour fournir de nouvelles informations principales menant à réduire des complications de naissance prématurée.

Promouvez, il y a le potentiel que ce capteur serait utile en réduisant ou en empêchant IRI, comme est actuellement un problème significatif pendant la ré-perfusion suivant la course et la crise cardiaque ischémiques, et pendant l'implantation d'organe de greffe. Nous l'anticipons serons également utiles en améliorant le neuroprotection pendant l'anesthésie chirurgicale, et pendant la ressuscitation suivant l'arrestation cardiaque et/ou respiratoire dans les patients de tous les âges.