Сколько часов в день вы держите в руках мобильный телефон? В реальности в два раза больше, чем вы только что подумали, — так подсчитали исследователи. Многие компании и лаборатории сейчас успешно поставили мобильные технологии на службу себе, науке и медицине. О том, что можно узнать из мобильных приложений, как можно диагностировать с помощью смартфона серповидноклеточную болезнь и чему бараны научили ученых из детского госпиталя Цинциннати — читайте ниже!
Смартфон — верный спутник современного человека: с ним в руках люди проводят примерно треть времени бодрствования!
Как начинается ваш день? Вероятнее всего, вы отключаете будильник на своем смартфоне, а потом проверяете на нём почту, читаете новости или смотрите прогноз погоды. Как показывает неумолимая статистика, люди в среднем пользуются телефоном пять часов в день — а это примерно треть всего времени бодрствования! — и проверяют его примерно 85 раз в сутки. Интересно, что эти цифры являются для многих неожиданностью: пользователи смартфонов уверены, что обращаются к девайсу в два раза реже [1]. Кроме того, смартфон уже давно не только телефон: например, четверть британских пользователей ни разу в неделю не эксплуатирует его в традиционном режиме (то есть для обычных звонков)!
Исследователи и коммерческие разработчики не могли упустить такую возможность слежения за состоянием организма пользователей. Конечно, регистрация нужных параметров происходит не круглосуточно, как в случае имплантированного прибора*. Но всё же, раз телефон становится постоянным спутником потенциального пациента и покупателя, можно сконструировать специальные носимые устройства, которые будут следить за здоровьем «подопечных» и соединяться по беспроводной связи со смартфоном.
* — Про такие технологии и современных киборгов можно прочесть в предыдущей статье цикла — «Киборги среди нас».
Приложения для смартфона — для любых потребностей и нужд!
Скачать новое приложение уже давно не представляет сложностей для большинства пользователей смартфонов с любой операционной системой. Теперь приложения служат не только для развлечения или коммуникации, но и для просвещения, мониторинга здоровья и даже диагностики. Многие приложения работают самостоятельно. И что удивительно, такие программы, созданные для разных целей, действительно приносят пользу.
Тех, кто ведет сидячий образ жизни, может заинтересовать приложение, автоматически посылающее напоминалки о том, что время от времени надо встать и хоть немного размять мышцы [3]. Такие сообщения начинают приходить после того, как программа зафиксировала, что пользователь долго был неактивен. Исследование эффективности программы демонстрирует, что такой подход действительно работает. Участники из группы, пользующейся приложением, сократили время, проведенное сидя, на 3%. Хоть такая цифра кажется небольшой, на практике это целых 25 минут в день.
Некоторые социально ориентированные исследователи ставят перед собой и более глобальные цели — донести определенной группе населения важные сведения в доступной форме. В современном мире такие работы особенно необходимы, поскольку разрыв между реальными научными знаниями и уровнем осведомленности простых людей воистину огромен. Доступность медицинских данных и их восприятие населением в развивающихся и развитых странах тоже сильно различаются.
Новое приложение для смартфона Gyan Jyoti, что значит «свет знания», создано при финансовой поддержке британских специалистов и демонстрирует попытку справиться с озвученными проблемами и развенчать некоторые мифы о контрацепции [4]. Его целевая группа — это замужние женщины, живущие в сельской местности Индии (рис. 1). В этом приложении можно найти мотивационные видео о различных противозачаточных средствах и о планировании семьи; мнения пар, использующих противозачаточные средства; секцию «Вопрос/ответ врачей» и многое другое. По информации, предоставленной Центром Джона Хопкинса (Johns Hopkins Center), всего за несколько месяцев число женщин, использующих современные методы планирования семьи, значительно возросло. В частности, женщины, посмотревшие видео, в 4,5 раза чаще прибегают к современным методам контрацепции.
Рисунок 1. Индийские женщины, которые воспользовались новым обучающим приложением, развенчивающим мифы о контрацепции, прибегают к современным методам планирования семьи в разы чаще.
Некоторые приложения требуют носимого девайса* или какой-то дополнительной аппаратуры. К примеру, была создана специализированная «насадка» на смартфон для диагностики серповидноклеточной болезни (и одноименной анемии, которая входит в эту группу патологий), встречающейся у четверти населения Центральной и Западной Африки [5]. Ученые представили высокочувствительный метод анализа, для которого нужен очень маленький образец крови — менее 1 мкл — и которому, следовательно, требуется малое количество реактивов. Диагностика основана на том, что плотность серповидных эритроцитов при дезоксигенированных условиях выше плотности эритроцитов обычной формы. Легкий и компактный девайс, напечатанный на 3D-принтере и оснащенный светодиодом для освещения образца, оптической линзой для увеличения изображения и двумя магнитами, устанавливается на смартфон Samsung Galaxy S4. Эти магниты, обращенные друг к другу одноименными полюсами, образуют магнитное поле и обеспечивают магнитную левитацию красных кровяных телец (почти фантастика, да!).
* — Больше про носимые технологии читайте в статье «„Большой брат следит за тобой“, или Как развитие технологий меняет нашу жизнь».
Забранный образец крови после несложных манипуляций загружают в микрокапиллярную трубку, которая вставлена между магнитами. Содержимое трубки подсвечивается светодиодом, и эта «картинка» увеличивается с помощью асферической линзы. Встроенная в смартфон камера фотографирует образец, и полученное изображение обрабатывается за одну секунду специальным приложением для Android на том же самом смартфоне. К девайсу на смартфоне через специальный разъем подсоединяется и световой микроскоп. Из-за различий в плотности при левитации в магнитном поле серповидные эритроциты легко отличить от нормальных (рис. 2).
Рисунок 2. Оборудование для основанной на магнитной левитации диагностики серповидноклеточной болезни. а — Схематическое изображение крепления аппаратуры на смартфон Samsung Galaxy S4. б — Устройство девайса: светодиод предназначен для освещения образца крови в микрокапилляре, два магнита — для обеспечения магнитной левитации красных кровяных телец, асферическая линза — для увеличения изображения. Образец фотографируется камерой, встроенной в смартфон. в — Фотография магнитной левитации полистирольных микросфер размером 10 мкм, сделанная смартфоном (шкала — 25 мкм). г-е — Внешний вид аппаратуры спереди, сзади и сбоку. ж — Фотография левитирующих микросфер на экране смартфона. з — Световой микроскоп, лежащий на боку и соединенный с аппаратурой на смартфоне, визуализирует магнитную левитацию клеток. Рисунок из [5].
А ты прошел сегодня 10 000 шагов?
Один из самых известных классов устройств, подключающихся к смартфону, — это фитнес-трекеры, такие как Jawbone UP и Fit-Bit. В них перво-наперво встроен шагомер — самый простой датчик движения. Именно в шагах сегодня многие здравоохранительные организации задают минимальный уровень необходимой физической активности. Умеренно активный образ жизни сейчас определяется кругленьким числом в 10 000 шагов в день, хотя всем очевидно, что эта цифра условна (рис. 3). Для жителя мегаполиса, проходящего ежедневно в среднем 3000–4000 шагов, это означает увеличение нагрузки более чем в два раза. Однако «отработать» их на практике не так и сложно. Например, британская служба здравоохранения National Health Service советует пораньше выходить из автобуса и хотя бы часть пути до работы/дома проходить на своих двоих, предпочитать лестницы эскалаторам и лифтам, провожать детей в школу и гулять с собакой.
Рисунок 3. Интерфейс фитнес-трекера Fitbit поздравляет пользователя, прошедшего за сутки 10 000 шагов.Фитнес-трекеры не только отслеживают количество пройденных шагов, но могут регистрировать и продолжительность сна, примерное количество потраченных калорий и многое другое. Информация передается на специальное приложение в телефоне. Пожалуй, такой девайс — наиболее простой способ мониторинга общего состояния здоровья и двигательной активности, и подойдет он любому желающему без специфических нужд [7]. Даже если человек в какой-то момент решит отказаться от трекера, то вполне возможно, что более подвижный образ жизни уже успеет войти у него в привычку. Не удивительно, что уже каждый десятый житель Штатов — счастливый обладатель такого браслета [8].
Спорт — это жизнь
Особое место в новых технологиях отводится профессиональным спортсменам и просто любителям физической активности. Регистрацию индивидуальной выносливости и достижений спортсменов и целых команд теперь можно доверить технике. Кроме того, девайсы помогают и врачам в контроле нагрузок для улучшения спортивных результатов. Традиционно это уже упомянутые шагомеры, акселерометры и гироскопы, приборы со встроенным GPS-приемником для регистрации движения, а также различные сенсоры для фиксирования физиологических характеристик: сердечного ритма, температуры и т.п. [9]. Сейчас к ним добавляются и новые устройства — например датчик, определяющий потерю жидкости при интенсивных тренировках [10]. Прибор, который разрабатывают в Университете Стратклайда (University of Strathclyde, Глазго), крепится на тело, анализирует состав электролитов в поте и в режиме реального времени передает информацию на смартфон. Таким образом, этот трансдермальный девайс контролирует дегидратацию организма при нагрузках и может стать финальным штрихом в технической экипировке профессиональных спортсменов и любителей спорта, работающих на износ.
Однако помимо улучшения физической формы и результативности тренировок, у ученых есть и другая манящая цель — минимизировать травматичность. Понятно, что от всего драгоценного спортсмена не убережешь, но уже ведутся исследования по предупреждению некоторых частых повреждений. Среди новых разработок — хитроумные кроссовки от испанских Института биомеханики Валенсии (Instituto de Biomecánica de València) и компании по производству обуви KELMĖ [11]. В эту обувь внедрено устройство RUNSAFER, которое может «научить» правильной технике бега и тем самым предотвратить потенциальную травму (рис. 4). Интегрированная микроэлектронная измерительная система собирает биомеханические параметры, характеризующие технику бегуна во время прохождения дистанции, и по беспроводной связи передает ее на мобильный телефон. Мобильное приложение же обрабатывает данные в режиме реального времени, посылает оповещения об изменении стиля бега, если необходимо, и даже требует остановить пробежку, если вероятность травмы очень высока. Объединяя снятые характеристики с показаниями пульсометра, можно отследить уровень усталости спортсмена. И наконец, программа способна функционировать еще и как социальная сеть — поклонники этой физической нагрузки смогут обмениваться опытом и полезной информацией.
Рисунок 4. Система RUNSAFER в беговой кроссовке предотвратит травмы и научит бегать правильно. Рисунок из [11].
На самом деле, такое устройство может иметь колоссальный успех, ведь в одной Европе занимается бегом более 80 миллионов человек, то есть больше трети европейского населения в возрасте от 15 до 65 лет. По оценкам, 38% европейских бегунов лечат сейчас либо когда-либо получали травму при беге, а 37–56% травмируются как минимум раз в год.
Другое распространенное увечье, особенно характерное для контактных видов спорта (футбола, регби), — это черепно-мозговая травма. Исследования головного мозга умерших спортсменов показали, что из-за многочисленных ушибов у них развиваются энцефалопатии и нейродегенеративные заболевания. От них не спасают даже защитные шлемы, которые используют в некоторых видах соревнований, поскольку мозг всё равно «болтается» в спинномозговой жидкости внутри черепной коробки. Поняв, что изобретенные человеком средства не помогают, ученые обратились к своему вечному источнику вдохновения — природе — и не прогадали. Дятлы и толсторогие бараны — это два вида живых существ, которые в своей повседневной жизни работают головой в прямом смысле слова и ничуть от этого не страдают (рис. 5). Как выяснилось, это обусловлено тем, что внутричерепное давление у них тонко регулируется. Кроме того, изучение травматичности соревнований на разных высотах выявило, что на большой высоте спортсмены получают почти на треть меньше сотрясений мозга. Вероятно, это тоже можно объяснить тем, что мозг занимает больше места внутри черепа при подъемах на высоту и перемене давления, считает Грегори Майер (Gregory Myer), директор лаборатории функционирования человека в детской больнице Цинциннати (Cincinnati Children’s Hospital, США).
Рисунок 5. Схватка толсторогих баранов в Канаде обходится без черепно-мозговых травм (Brian Leith Productions / Terra Mater / Ben Wallis). Рисунок с сайта natgeotv.com.
Таким образом, перед учеными стояла задача сделать так, чтобы мозг плотнее прилегал к черепу изнутри. Для этого они разработали специальный незамкнутый «воротник», который надевается на шею и слабо надавливает на яремные вены, по которым кровь поступает от головы обратно к сердцу [12]. Следовательно, при ношении этого U-образного «ошейника» отток крови от черепа слегка уменьшается. Прибор не требует мобильного приложения. Разработка может оказаться полезной не только для спортсменов, но и для военных (рис. 6).
Исследования на крысах уже показали, что такой девайс уменьшает проявления черепно-мозговой травмы. Сейчас ученые проводят испытания на свиньях и надеются позже проверить новый «воротник» на людях.
Рисунок 6. U-образный «воротник», слабо сдавливающий яремные вены и тем самым сокращающий отток крови от головы, может уменьшить последствия травм головы. Рисунок из [12].
В целом работа этого девайса строится на догадках, и пока что нельзя провести четкую параллель между травмами, видимыми на МРТ, и симптомами у человека. Другой минус этой разработки в том, что биохимические последствия такого насильственного удержания крови тоже не изучены. Поэтому ученым предстоит показать не только эффективность такого девайса, но и его безопасность, а также детально изучить результаты его ношения и физиологические механизмы в основе манипуляций с положением мозга в черепе.
Дорога до светлого будущего
С какими же задачами приходится сталкиваться исследователям и разработчикам новой техники и программ? Оставив в стороне этические вопросы, проблемы конфиденциальности информации и стоимость, остановимся на главных технических загвоздках и коммерческих трудностях. Итак, абстрактный носимый прибор, снимающий важные для оценки здоровья показатели, должен быть компактным, понятным для пользователя и долго не разряжаться.
В первую очередь, как совместить компактность прибора со способностью долго работать? Ведь у носимых девайсов есть ограничения по размеру батареи, которая задает время автономной работы устройства. Непрерывный мониторинг — очень затратная для сенсоров вещь, поэтому некоторые компании выбирают периодический контроль измеряемых параметров. В случае датчиков движения это может успешно работать — например, если это датчик регистрации двигательной активности, связанный с GPS. Однако для слежения за физиологическими параметрами такой подход далеко не идеален. Таким образом, вопрос, как продлить время работы девайса без подзарядки, — одна из первоочередных и сложнейших задач [7].
Второй вопрос — как мотивировать человека пользоваться девайсом или приложением для смартфона? Для коммерческих компаний привлечь аудиторию — это вообще цель любой разработки, ведь проект должен приносить материальную выгоду. Но при этом, как в случае приложения с информацией по методам контрацепции для индийских женщин, от верного оформления зависит и результат кампании. Редкие организации предпочитают доплачивать своим сотрудникам условные деньги за поддержание здорового образа жизни с помощью фитнес-трекера. Это делает, например, американская страховая компания Oscar, сотрудничающая с фирмой, производящей трекеры Misfit Flash [13]. Любой из коллектива компании может получить поощрение суммой до 20 долларов и потратить его на сайте Amazon, если будет выполнять норму по количеству пройденных за день шагов.
Как показывают специалисты, для успешности приложения либо прибора важны и фактор «забавности», и степень, до которой человек может увязать новинку со своими предпочтениями и целями. Для некоторых альтруистов важно и то, что его данные войдут в общую базу крупной научной работы. К примеру, 8 из 10 человек, использовавших генетический тест 23andMe, готовы поделиться своей информацией для исследования, так почему же откажутся пользователи носимых технологий? Наконец, если приложение по поддержанию здорового образа жизни предоставляет людям платформу для общения, тогда мотивация носит и социальный характер: кому же захочется выглядеть неспортивным и ленивым перед друзьями [8]?
При нынешних темпах развития технологий и психологических маркетинговых уловок можно предположить, что носимые и вживляемые приборы, связанные со смартфоном либо автономные, скоро окончательно заполонят мир. По-видимому, человеческая эволюция движется в таком направлении, что скоро Homo sapiens будет увешан девайсами снаружи и истыкан изнутри. И пока нет оснований полагать, что эта тенденция угаснет.
24.06.2016 Ссылки на источники в оригинале статьи biomolecula.ru
