Áo bọc tim cảm biến gắn trên tim người sử dụng công nghệ in sinh học 3D

Chia sẻ: Mộ Dung Vân Thư | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu "Áo bọc tim cảm biến gắn trên tim người sử dụng công nghệ in sinh học 3D" được thực hiện với mong muốn được học hỏi, trau dồi thêm nhiều kiến thức mới về lĩnh vực chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, tìm hiểu về “Áo cảm biến bọc quanh tim”, công nghệ được tích hợp vào thiết bị “Áo cảm biến” này như thế nào, nó có chức năng ra sao. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Áo bọc tim cảm biến gắn trên tim người sử dụng công nghệ in sinh học 3D

ÁO BỌC TIM CẢM BIẾN GẮN TRÊN TIM NGƯỜI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IN SINH HỌC 3D Nguyễn Đình Khương*, Trương Văn Lộc, Lâm Vĩnh Thuận Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh GVHD: Thái Lê Phương Anh TÓM TẮT Với mong muốn được học hỏi, trau dồi thêm nhiều kiến thức mới về lĩnh vực chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, nhóm tác giả đã tìm hiểu về “Áo cảm biến bọc quanh tim”. Bằng vốn kiến thức thực tiễn mà nhóm tác giả có được, cộng với sự hỗ trợ của Giảng viên hướng dẫn và những tài liệu thu thập được trong suốt quá trình nghiên cứu, chúng tôi đã có được những cái nhìn rõ hơn về thiết bị này. Nhóm tác giả đã biết thêm về những công nghệ được tích hợp vào thiết bị “Áo cảm biến” này như thế nào, nó có chức năng ra sao. Từ khóa: Áo cảm biến, 3D, đo và kích thích tim, màng tích hợp, nano silicon. 1. TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu Chúng ta đều biết rằng Tim là một trong những bộ phận quan trọng nhất của con người để duy trì sự sống. Quả Tim hoạt động hầu như là liên tục để bơm máu đến từng bộ phận của cơ thể con người. Chức năng của tim được duy trì và phối hợp với các hệ thống cơ quan khác trên cơ thể để kiểm soát nhịp tim và ổn định huyết áp. Hình 1: Tim và mạch máu vào và ra của tim người Hình 2: Hình ảnh minh họa “áo cảm biến tim” 22
Có thể thấy Tim không những là một bộ phận làm việc rất hiệu quả mà còn có nhiều ảnh hưởng đến các bộ phận khác. Chính vì thế mà một khi trái tim hoạt động một cách không bình thường hay gặp phải vấn đề gì đó dù là nhỏ nhưng cũng thật đáng quan ngại. Theo nghiên cứu thì các tế bào tim một khi đã tổn thương thì không thể tái tạo lại. Các bệnh lý về tim mạch cũng là những vấn đề nan giải. Việc để có được một trái tim khỏe mạnh thì ngoài việc có những chế độ dinh dưỡng, tập luyện phù hợp ra thì cũng cần phải theo dõi tình trạng của tim và đánh giá những dữ liệu đó. Chính vì vậy, gần đây thì các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển một thiết bị có tên là “Áo cảm biến” cho tim. Như tên gọi thì thiết bị này sẽ được “khoác” lên trái tim của con người để đo đạc, thu thập dữ liệu từ hoạt động của tim. Các phép đo đạc này được những cảm biến siêu nhỏ như: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến pH, cảm biến điện tâm đồ (ECG), cảm biến nhịp tim… thực hiện. Các cảm biến siêu nhỏ này được tích hợp trên “Áo cảm biến”, sau khi thu thập dữ liệu thì chúng sẽ có những thông báo đến nơi lưu trữ thông tin. Từ đó, ta sẽ có những thông tin cần thiết về những thông số của tim. 1.2 Lịch sử nghiên cứu Lịch sử nghiên cứu của đề tài đến từ sự phát triển hai lĩnh vực đó là công nghệ in 3D và vật liệu sinh học trong những năm gần đây đã giúp con người tiếp cận sâu hơn đến những vấn đề của cơ thể bản thân. Đối với lĩnh vực in 3D xuất hiện từ những năm 80 của thế kỷ trước đánh dấu một bước ngoặc lớn khi so với những điểm yếu tồn đọng của lĩnh vực in 2D trước đó. Trong y tế, lĩnh vực in 3D đã tiếp cận từ những năm 1990 với việc tái tạo những mô hình giải phẫu để hỗ trợ các bác sĩ trong việc chẩn đoán và lập kế hoạch điều trị. Đến thập kỷ đầu của thế kỷ 21 khi kết hợp với các loại vật liệu sinh học để tạo ra các bộ phận cơ thể như khớp háng nhân tạo, tim nhân tạo…Rõ ràng việc in các dụng cụ hay mô hình thì dễ dàng hơn so với khi in một tế bào sống và điều đấy là một thách thức dẫn đến sự phát triển về lĩnh vực in 3D sinh học đặc biệt là các bộ phận quan trọng hơn như tim, mạch máu… Đối với lĩnh vực vật liệu sinh học đặc biệt là vật liệu sinh học cho các mô và cơ quan đã tạo ra những loại vật liệu tương thích sinh học với con người như Polyimide (PI), PMMA poly (methyl methacrylate), PEG…. đã tạo ra một mạng lưới nano silicon xâm nhập giúp bao bọc những vật liệu như các điện cực và cảm biến giúp tránh né hệ miễn dịch tự nhiên của cơ thể từ đó có thể đặt những thiết bị điện tử vào bên trong cơ thể như dây dẫn của máy khử rung tim. Đến những năm gần đây các nhà nghiên cứu đã sử dụng hình ảnh trái tim của động vật để tạo ra các mô hình của trái tim bằng máy in 3D. Sau đó, họ chế tạo thiết bị điện tử co giãn trên các mô hình đó được gọi là hệ thống điện tử sinh học. Chất liệu co giãn có thể bóc ra khỏi mẫu in và quấn quanh trái tim thật cho vừa vặn, điều mà công nghệ 2D không thể thực hiện được. 2. PHƯƠNG PHÁP Để có thể tạo ra được một “áo tim” dành cho từng bệnh nhân một cách hoàn chỉnh đầu tiên ta phải có được hình ảnh MRI hay CT trái tim của bệnh nhân dưới dạng DICOM - tiêu chuẩn cho việc truyền thông và quản lý thông tin hình ảnh y tế - từ bệnh viện. Sau đó, sẽ được mô hình hóa 3D từ hình ảnh này. Theo nghiên cứu của chúng tôi đã đưa ra hai hướng đó là dựng mô hình bằng các phần mềm như 3DSlider, Inversalius hoặc dựng trực tiếp từ các phần mềm 3D phổ biến như Autocad, Blender. 23
Hình 3: Giao diện làm việc của phần mềm Blender Sau đó người kỹ sư y sinh sẽ thiết kế một loại cảm biến và gắn lên lớp áo poly (dimethylsiloxane) ấy. Tính toán vị trí phù hợp để gắn cảm biến lên áo và đặt vào những vị trí được cho là lý tưởng ấy để cảm biến có thể hoạt động một cách chính xác và hiệu quả nhất và sau cùng nó sẽ được xuất dưới dạng file STL - một định dạng tệp tiêu chuẩn cho việc mô tả hình dạng 3D của đối tượng - và được đưa đến máy in. Hình 4. Hình ảnh mô phỏng trái tim bằng Blender Hình 5. Cảm biến được thiết kế 3. ỨNG DỤNG TRONG CÁC BỆNH VỀ TIM 3.1 Bệnh tim đập nhanh 24
Tim đập nhanh là một tình trạng mà trong đó nhịp tim ảnh hưởng bởi các tác nhân như hồi hộp, lo lắng, luyện tập thể thao nặng hay chất kích thích như rượu, bia… Hình 6: Tim đập nhanh dẫn đến rối loạn nhịp tim Tuy nhiên thì khá là vô hại vì đó là những biểu hiện bình thường của cơ thể. Nhưng đó là chỉ đối với một người bình thường không bị bệnh gì về tim. Tim đập nhanh có thể là một tình trạng rối loạn nhịp tim, và đối với người có vấn đề về tim mạch thì có thể gây ra các biến chứng nặng như suy tim, ngưng tim hoặc có thể gây đột quỵ. Đối với việc chẩn đoán tim đập nhanh là rất dễ dàng có thể là tự cảm nhận, có thể là đo nhịp tim bằng máy do huyết áp của gia đình, hoặc sử dụng điện tâm đồ nếu trong bệnh viện. Một phương pháp tối ưu đó là những sản phẩm thông minh như apple watch có để đo nhịp tim ở mạch trên cổ tay, và cả ECG. Tuy nhiên thì những thứ được đề cập ở trên có một vài nhược điểm đó là thời gian và độ chính xác và không phải lúc nào ta cũng có thể sử dụng chúng liên tục trong một thời gian dài ở đây chính là pin. Công nghệ chúng tôi đem đến hôm nay đó là một cảm biến ECG được tích hợp lên trên “áo tim” có thể giải quyết được những nhược điểm trên của các thiết bị. Một cảm biến ECG tại chính trái tim và có thể thông báo ngay lập tức đến bệnh nhân hoặc bác sĩ cá nhân khi có sự bất thường về nhịp tim cũng như là giúp bác sĩ theo dõi quá trình đấy mà bệnh nhân không cần phải ở trong bệnh viện. 3.2 Người mắc các bệnh tim bẩm sinh và những căn bệnh phổ biến Bệnh tim bẩm sinh là những dị tật của tim xảy ra ngay từ trong bào thai và vẫn còn tồn tại sau sinh gây ra những ảnh hưởng lâu dài nếu không được điều trị. 25
Hình 7: Mô phỏng cơ tim bình thường (phải) và cơ tim bị viêm, sưng to (trái) Một số vấn đề về cấu trúc và chức năng của tim có thể làm cho cơ tim trở nên lớn hơn và yếu đi có thể gây ra các biến chứng xấu như suy tim, loạn tim và có thể dẫn đến tử vong. Nếu phát hiện sớm thì có thể điều trị bằng thuốc và cấy ghép. Tuy nhiên thì việc có được một trái tim khỏe mạnh như một người bình thường là bất khả thi, do đó những cảm biến của “áo tim” giúp hỗ trợ việc theo dõi bệnh nhân từ xa qua các chỉ số cơ bản này. Những người mắc các bệnh này cũng cực kỳ nguy hiểm. Ở bệnh van tim, các van tim sẽ bị hở ra và máu có thể bị chạy ngược không đúng theo chiều vốn có của nó. Hình 8: Tim bị hở van Hình 9: Tim bị hẹp van động mạch chủ Còn những người bị hẹp động mạch vành, các nơi có những mảng xơ vữa có thể gây ra tắc nghẽn mạch máu, làm cho quá trình bơm máu của tim diễn ra vô cùng khó khăn và thậm chí là không thể bơm máu được. Van động mạch chủ giữa tâm thất trái và động mạch chủ không phát triển toàn vẹn và bị hẹp, làm cản trở sự bơm máu từ thất trái vào động mạch chủ. Nó cũng bao gồm các đi-ốt phát quang và cảm biến ánh sáng có thể cung cấp thông tin về sức khỏe của mô cơ tim bằng cách xác định các vùng máu mờ đục, thiếu oxy. Cảm biến ánh sáng thậm chí có thể giúp phát hiện cơn đau tim vì NADH dehydrogenase, tích tụ trong cơn đau tim, phát huỳnh quang một cách tự nhiên cảm biến đo điều kiện axit để phát hiện các động mạch bị tắc. 26
3.3 Hướng phát triển đề tài Những hướng phát triển đề tài trong tương lai đó là kết hợp với các thiết bị cấy ghép khác để kích thích tim. Một trong số đó là máy khử rung tim ICD cấy ghép theo Igor Efimov nhà sinh lý học và kỹ sư sinh học tại Đại học Washington ở Saint Louis, Missouri, Hoa Kỳ cho biết những thiết bị như máy khử rung tim thì tín hiệu điện cực đưa về máy chỉ là một hoặc hai tín hiệu, vì vậy khiến cho các thiết bị như vậy có thể đưa ra những quyết định không chính xác và gây ảnh hưởng đến bệnh nhân. Vì vậy kết hợp với “áo tim” sẽ giúp chúng đưa ra các quyết định chính xác và không gây ra những ảnh hưởng không cần thiết đến bệnh nhân. 3.4 Thảo luận Việc tạo ra một “áo tim” với những cảm biến hỗ trợ rất nhiều trong chẩn đoán cùng với sự kết hợp với các thiết bị cấy ghép khác là một bước đột phá trong lĩnh vực y sinh nhất là trong những năm tới. Tuy nhiên vẫn cần phải có những nghiên cứu chuyên sâu hơn về cách in 3D và cũng như các vật liệu sinh học liên quan. Những nhược điểm có thể cần xem xét đó là nguồn dự trữ năng lượng, dù vật liệu “áp điện” có thể giải quyết được một phần vấn đề này nhưng nguồn năng lượng tiêu hao được cho là có thể vượt quá viên pin tự nhiên này. Sạc siêu âm đã được xem xét đến là có thể cung cấp năng lượng đủ cho thiết bị hoạt động một cách lâu dài. Với nghiên cứu trên thì việc đưa nghiên cứu trên từ giấy ra lâm sàng là điều có thể thực hiện được và sẽ giúp đỡ rất nhiều cho người bị bệnh về tim. Như tim bẩm sinh, van tim hẹp động mạch vành đã được nêu ở phần trước. Tim là một bộ máy không ngừng nghỉ của cơ thể, người ta hay ví von rằng trái tim là thứ quan trọng nhất trong bất cứ bộ máy nào. Chúng tôi tin rằng nghiên cứu của chúng tôi là rất quan trọng và nên được nghiên cứu nhiều hơn để có thể áp dụng vào thực tế trong tương lai không xa. 6. KẾT LUẬN Đối với địa chất học mà nói việc có thể đưa một cảm biến đến được nơi cần đo đó là hết sức quan trọng, điều đó giúp họ có thể dự đoán chính xác hơn rất nhiều những gì có thể sảy ra được gây ra bởi trái đất. Cơ thể con người cũng như vậy, việc đặt các cảm biến đến các bộ phận cần chuẩn đoán đã được đề xuất từ những năm 1980 nhưng phải chờ đến sự phát triển của công nghệ thì mới dần có thể thực hiện được. Với việc phát triển và hoàn thành công cuộc nói trên sẽ hỗ trợ rất nhiều cho nền y học nói chung và một cuộc sống tốt hơn dành cho bệnh nhân. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Katherine Bourzac. (2014, 3 4). Heart Implants, 3-D-Printed to Order. Retrieved 1 12, 2023, from MIT Technology Review: https://www.technologyreview.com/2014/03/04/173791/heart-implants-3-d-printed-to-order/ 2. Lizhi Xu, Sarah R. Gutbrod. (2014, 2 25). 3D multifunctional integumentary membranes for spatiotemporal cardiac measurements and stimulation across the entire epicardium. Retrieved 11 12, 2022, from Nature Communications: https://www.nature.com/articles/ncomms4329 27