أول جهاز يمكن ارتداؤه من نوعه يقيس الصحة من خلال استشعار كيفية “تنفس” الجلد
د.إيمان بشير ابوكبدة
طور باحثو جامعة نورث وسترن أول جهاز قابل للارتداء لقياس الغازات المنبعثة من الجلد والتي يمتصها. من خلال تحليل هذه الغازات، يقدم الجهاز طريقة جديدةً كليًا لتقييم صحة الجلد، بما في ذلك مراقبة الجروح، والكشف عن التهابات الجلد، وتتبع مستويات الترطيب، وتحديد كمية التعرض للمواد الكيميائية البيئية الضارة، وغيرها.
وتشتمل التكنولوجيا الجديدة على مجموعة من أجهزة الاستشعار التي تقيس بدقة التغيرات في درجات الحرارة وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون (CO2 ) والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، حيث توفر كل منها رؤى قيمة حول حالات الجلد المختلفة والصحة العامة.
تتدفق هذه الغازات إلى حجرة صغيرة داخل الجهاز، تطفو فوق الجلد دون أن تلامسه. يُعدّ هذا التصميم الخالي من التلامس مفيدًا بشكل خاص لجمع معلومات حول البشرة الهشة دون إزعاج الأنسجة الرقيقة.
نشرت الدراسة، المعنونة “جهاز قابل للارتداء بدون تلامس لمراقبة التدفق الجزيئي للبشرة”، في مجلة نيتشر . وتظهر الورقة البحثية فعالية الجهاز على الحيوانات الصغيرة والبشر.
وقال جييرمو أ. أمير من جامعة نورث وسترن، والذي شارك في قيادة الدراسة: “هذه التكنولوجيا لديها القدرة على تحويل الرعاية السريرية ، وخاصة بالنسبة للفئات السكانية المعرضة للخطر، بما في ذلك الأطفال حديثي الولادة، وكبار السن، والمرضى المصابين بمرض السكري وغيرهم ممن يعانون من مشاكل في الجلد”.
يكمن جمال جهازنا في إيجاد طريقة مبتكرة تمامًا لتقييم حالة البشرة الحساسة دون الحاجة إلى ملامسة الجروح أو القرح أو السحجات. يُعد هذا الجهاز الخطوة الرئيسية الأولى نحو قياس التغيرات في الغازات وربطها بحالة البشرة.
أول جهاز قابل للارتداء لقياس الصحة عن طريق استشعار الغازات الصادرة من الجلد والداخلة إليه. حقوق الصورة: جون أ. روجرز/جامعة نورث وسترن
تمكين المرضى في المنزل
تسمى الطبقة الخارجية من الجلد حاجز الجلد، وهي خط الدفاع الأول للجسم ضد البيئة الخارجية. تحافظ على ترطيبه بمنع فقدان الماء الزائد، وتعمل كحاجز ضد المهيجات والبكتيريا والأشعة فوق البنفسجية.
عندما يتأثر حاجز الجلد، يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة فقدان الماء (المعروف باسم فقدان الماء عبر البشرة أو TEWL)، وحساسية الجلد، وخطر الإصابة بالعدوى والحالات الالتهابية مثل الأكزيما والصدفية.
قالت الدكتورة إيمي بالير، المؤلفة المشاركة في الدراسة وأستاذة الأمراض الجلدية في والتر جيه هاملين ورئيسة قسم الأمراض الجلدية في فاينبيرج: “الجلد ضروري لحمايتنا من البيئة”.
“إن أحد العناصر الرئيسية لهذه الوظيفة الوقائية هو حاجز الجلد، والذي يتميز إلى حد كبير بمجموعة هائلة من البروتينات والدهون المنسوجة بإحكام والتي تحافظ على الماء في الداخل وتمنع المواد المهيجة والسموم والميكروبات والمواد المسببة للحساسية من الدخول.”
من خلال تتبع التغيرات في انبعاث بخار الماء والغازات من الجلد، يمكن لمقدمي الرعاية الصحية إلقاء نظرة على سلامة الحواجز الجلدية لمرضاهم. ورغم وجود تقنيات لقياس فقدان بخار الماء، إلا أنها أجهزة كبيرة الحجم ومعقدة، تُستخدم بشكل كبير في المستشفيات.
ومن ناحية أخرى، تم تصميم الجهاز الصغير القابل للارتداء لمساعدة الأطباء على مراقبة مرضاهم عن بعد وتمكين الأفراد من التحكم في صحة بشرتهم في المنزل.
وقالت بالير “إن المعيار الذهبي لقياس سلامة حاجز الجلد هو أداة كبيرة مزودة بمسبار يتم لمسه على الجلد بشكل متقطع لجمع المعلومات حول فقدان الماء عبر البشرة أو تدفق الماء عبر الجلد”.
“إن امتلاك جهاز قادر على قياس فقدان الماء عبر البشرة عن بعد، بشكل مستمر أو حسب برمجة الباحث – وبدون إزعاج المريض أثناء النوم – يعد تقدماً كبيراً.”
كيف يعمل الجهاز
يبلغ طول الجهاز سنتيمترين فقط وعرضه سنتيمترًا ونصفًا، ويتألف من حجرة، ومجموعة من المستشعرات، وصمام قابل للبرمجة، ودائرة إلكترونية، وبطارية صغيرة قابلة لإعادة الشحن. وبدلًا من ملامسة الجلد مباشرةً، تحوم الحجرة فوقه ببضعة ملليمترات.
قال روجرز: “تعتمد أجهزة الاستشعار التقليدية القابلة للارتداء على التلامس المباشر مع الجلد، مما يحد من استخدامها في الحالات الحساسة، مثل العناية بالجروح أو للأشخاص ذوي البشرة الحساسة. أما جهازنا فيتغلب على هذا القيد بإنشاء حجرة صغيرة مغلقة فوق سطح الجلد”.
يتم فتح وإغلاق مدخل هذه الغرفة بواسطة صمام أوتوماتيكي – وهي وظيفة تتحكم بشكل ديناميكي في الوصول بين الغرفة المغلقة والهواء المحيط.
عندما يكون الصمام مفتوحًا، تتدفق الغازات داخل وخارج الحجرة، مما يُمكّن الجهاز من تحديد قياس أساسي. ثم، عندما يُغلق الصمام بسرعة، يُحجز الغازات داخل الحجرة. ومن ثم، تقيس سلسلة المستشعرات التغيرات في تركيزات الغاز بمرور الوقت.
وقال روجرز “إذا لم يتضمن جهازنا صمامًا قابلًا للبرمجة ونهجًا قياسًا ديناميكيًا زمنيًا لقياس تدفق الأنواع من وإلى الجلد في الوقت الفعلي، فإن النظام قد يتشوش بسبب التغيرات في تركيزات هذه الأنواع التي قد تختلف بشكل طبيعي في البيئة المحيطة”.
“على وجه التحديد، إذا كان الصمام مفتوحًا طوال الوقت، فسوف يكتشف المستشعر هذا النوع من التغييرات – وليس بسبب أي شيء مرتبط بالجلد.
من ناحية أخرى، إذا كان الصمام مغلقًا دائمًا، فسيُحدث اضطرابًا في أنماط التدفق الطبيعية بطريقة لا تُفسر العوامل البيئية. بالنسبة للعاملين في بيئات يحتمل أن تكون خطرة، من المفيد معرفة كمية هذه الأنواع الخطرة التي تدخل الجسم عبر الجلد.
مثالي للعناية بالجروح
باستخدام تقنية البلوتوث، يُرسل الجهاز هذه البيانات مباشرةً إلى هاتف ذكي أو جهاز لوحي للمراقبة الفورية. تُساعد هذه النتائج السريعة العاملين في مجال الرعاية الصحية على اتخاذ قرارات أسرع وأكثر استنارة لإدارة الجروح وإعطاء المضادات الحيوية.
نظرًا لأن زيادة بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية المتطايرة ترتبط بنمو البكتيريا وتأخر الشفاء، فإن مراقبة هذه العوامل يمكن أن تساعد مقدمي الرعاية في اكتشاف العدوى في وقت مبكر وبمزيد من الثقة.
وقال أمير، الخبير في أساليب الهندسة التجديدية لتحسين التئام الجروح، “إن وصف المضادات الحيوية للجروح قد يكون مخاطرة إلى حد ما”.
أحيانًا يصعب تحديد ما إذا كان الجرح مصابًا بالتهاب أم لا. وعندما يتضح الأمر، قد يكون الأوان قد فات، وقد يُصاب المريض بتسمم الدم، وهو أمر بالغ الخطورة. لتجنب ذلك، يصف الأطباء مجموعة واسعة من المضادات الحيوية. قد يؤدي ذلك إلى مقاومة المضادات الحيوية، وهي مشكلة متنامية في مجال الرعاية الصحية.
“إن القدرة على مراقبة الجرح عن كثب وبشكل مستمر ووصف المضاد الحيوي عند ظهور أول علامة على العدوى هي أمر واضح ومهم.”
في حين أن المراقبة المستمرة مهمة لجميع أنواع الجروح، إلا أنها بالغة الأهمية لمرضى السكري. وقد سبق لأمير أن طوّر استراتيجيات متنوعة، منها جل مضاد للأكسدة وضمادات متجددة ، لعلاج قرح السكري.
أول جهاز قابل للارتداء لقياس الصحة عن طريق استشعار الغازات الصادرة من الجلد وداخله. يفتح صمام ويغلق الحجرة (مفتوحة هنا) للسماح بدخول الغازات. حقوق الصورة: جون أ. روجرز/جامعة نورث وسترن
قبل عامين فقط، تعاون أمير مع روجرز لابتكار أول ضمادة إلكترونية مؤقتة ، تستخدم التحفيز الكهربائي لتسريع التئام الجروح. يوفر هذا الجهاز الجديد القابل للارتداء أداةً أخرى لمساعدة هؤلاء المرضى المعرضين للخطر على تجنب الآثار الجانبية الخطيرة.
قال أمير: “تُعد قرح السكري السبب غير المؤلم الأول لبتر الأطراف السفلية عالميًا. قد يبدو أحيانًا أن الجرح يلتئم، لكن وظيفة حاجز الجلد لم تُستعاد تمامًا. يستطيع جهازنا قياس الغازات المنبعثة بدقة، مما يوفر معلومات مفيدة حول وظيفة حاجز الجلد”.
تقييم فعالية طاردات الحشرات والمستحضرات
لا تقدم التكنولوجيا الجديدة المبتكرة رؤى غير مسبوقة في مجال التئام الجروح وصحة الجلد فحسب، بل قد تمهد الطريق أيضًا للتقدم في مراقبة فعالية طاردات الحشرات وكريمات البشرة والأدوية الجهازية المصممة لتحسين صحة الجلد.
ثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية المتطايرة هي الغازات التي تجذب البعوض والآفات الأخرى. لذا، فإن قياس هذه الانبعاثات من الجلد قد يساعد الباحثين على فهم انجذاب البعوض، وربما التخفيف منه.
ويمكن للجهاز الجديد أيضًا تمكين أطباء الجلد ومرضاهم من قياس مدى سرعة اختراق المستحضرات والكريمات للجلد، وهو ما قد يوفر رؤى حول نفاذية الجلد ووظيفة الحاجز.
ويمكن أن تساعد هذه البيانات أيضًا الباحثين الآخرين في تطوير أنظمة أكثر فعالية لتوصيل الأدوية عبر الجلد، ومراقبة تأثيرات الأدوية التي يتم توصيلها جهازيًا لأمراض الجلد، وتقييم سلامة مستحضرات التجميل ومنتجات العناية الشخصية.
ويخطط فريق نورث ويسترن بعد ذلك لتحسين قدرات الجهاز، بما في ذلك إضافة مستشعر لتتبع التغيرات في مستويات الرقم الهيدروجيني وتطوير مستشعرات الغاز ذات الانتقائية الكيميائية المتزايدة للكشف المبكر عن خلل الأعضاء والأمراض الأخرى.
لا تقتصر هذه التقنية على قياس الغازات وخصائص الجلد، بل تشمل أيضًا التنبؤ بالصحة العامة، والوقاية من العدوى والأمراض، وبناء مستقبل تدار فيه الرعاية الشخصية من خلال تتبع صحي مستمر، غير جراحي، وفي الوقت الفعلي، من خلال مجموعة جديدة من المعايير التي تكمل تلك التي يمكن التقاطها باستخدام الأجهزة القابلة للارتداء التقليدية.
