Трикордер: фантастика или уже реальность?

Трикордер* - это универсальный компактный прибор, который может мгновенно диагностировать многие заболевания, не прикасаясь к пациенту. Возможно ли создать такое устройство, или оно так и останется в научной фантастике?

Название "трикордер" пришло из фильма "Звездный путь" (Star Trek) и было принято в качестве термина в отрасли цифрового здравоохранения после объявления о проведении конкурса Qualcomm XPRIZE. Хотя речь идет не совсем о том почти волшебном устройстве, которое использовалось в сериале, цель проекта "Tricorder XPRIZE" - создать автоматическую неинвазивную систему диагностики здоровья, упакованную в одно портативное устройство весом не более 2,3 кг, которая должна обеспечивать измерение таких показателей здоровья человека, как давление, частота сердцебиения, насыщенность крови кислородом, частоту дыхания и температуру. Кроме того, прибор должен точно диагностировать 16 болезней (в том числе, анемию, диабет, пневмонию) и минимум три дополнительных (аллергия, ВИЧ, острый фарингит).

В случае успеха подобное устройство может произвести революцию в диагностической индустрии. В этой статье мы попробуем понять, возможно ли вообще подобное устройство в ближайшем будущем, а также рассмотреть несколько реальных продуктов, которые разрабатываются в настоящее время или даже используются в клиниках.

Технология

Технология, необходимая для диагностики всех этих заболеваний, уже доступна, хотя обычно она требует взятия образцов крови или слишком громоздка и медленна, чтобы ее можно было использовать в портативных устройствах. Но работа над портативными версиями в настоящее время уже ведется многими группами разработчиков.

Ключевой технологией являются сенсоры, а основным инструментом для дистанционной диагностики является визуализация. Для создания трикордера, вероятнее всего, потребуется сочетание носимых датчиков и диагностических сканеров. Датчики пота, ультрафиолетовые детекторы и устройства "все в одном" уже исследуются, а в сочетании с растущим рынком носимых датчиков и микроэлектромеханических систем означает, что эти технологии будут доступны по цене. Вторым перспективным направлением является использование геномных технологий и программного обеспечения на основе искусственного интеллекта.

Адаптация

Если люди будут носить такие датчики каждый день, то интеграция, например, средств диагностики сердечного приступа, гипертонии или приступов эпилепсии будет всего лишь небольшим шагом. Интегрированное отслеживание показателей здоровья приведет к интегрированной диагностике, что делает трикордер, взаимодействующий с ними, еще более вероятным - несмотря на проблемы с регулированием, которые являются серьезным препятствием из-за того, в частности, что каждую диагностическую функцию придется сертифицировать отдельно.

Следующий логический шаг после умных носимых устройств - имплантируемые датчики. Конечно, имплантат не может быть частью трикордера, поскольку это инвазивное вмешательство, после имплантации ежедневная проверка на ряд заболеваний будет совершенно неинвазивной и гораздо более эффективной, чем обычный скрининг. Пока такие решения, насколько нам известно, не использует ни один разработчик потенциального трикордера.

Реализация

Сколько будет стоить такое устройство, и сколько времени потребуется для проведения диагностики?  Это, конечно, серьезные препятствия в разработке трикордера, но со временем они будут решены. Хотя сегодня невозможно сделать дешевый персональный трикордер, со временем это произойдет, просто в силу природы рынка.

Одним из наиболее важных аспектов является пользовательский интерфейс. Предполагается, что трикордер сможет использовать любой человек без обучения и он представлять достаточно простые выводы, чтобы быть полезным. Врачи делают диагностические выводы на основе количественных показателей, наблюдения за пациентом и истории болезни. Они опираются на многолетний опыт, чтобы сделать экспертные выводы. Попытка заменить их мыслительную способность искусственным интеллектом - это серьезная задача, поэтому судя по всему в ближайшие годы эти диагностические устройства не будут полностью автоматизированы.

Ситуация в настоящее время

Сегодня мы уже видели информацию о нескольких подобных системах, функционал которых позволил бы их назвать термином "трикордер", но пока, к сожалению, практически все они находятся либо на стадии разработки прототипа, либо тестируются в реальных условиях. Здесь мы хотим вам представить несколько из подобных устройств, существенно отличающихся друг от друга как по функциональным возможностям, так и по принципам работы

DMI rHEALTH

Еще в 2014 году компания DMI выиграла конкурс Nokia Sensing XChallenge, создав носимое устройство rHEALTH для мониторинга здоровья в сочетании с устройством для анализа крови. По данным разработчиков, тестер крови DMI может проводить 22 теста с помощью всего лишь капли крови, а носимое устройство отслеживает состояние здоровья и жизненные показатели. Они также участвовали в конкурсе Tricorder XPRIZE.

Устройство позволяет диагностировать различные заболевания - от гриппа до более серьезного заболевания, такого как пневмония, или лихорадки Эбола, в течение нескольких минут. В систему также входит патч, который пользователи могут носить для получения непрерывных показаний - ЭКГ, пульса, температуры тела - передаваемых на смартфон или само устройство rHEALTH через Bluetooth. Соответствующее приложение может провести пользователя через процесс самодиагностики.

rHEALTH позволяет определять количество клеток, выявлять ВИЧ, уровень витамина D и различные белковые маркеры в организме.

В настоящее время компания DMI близка к воплощению в жизнь концепции трикордера. Правда, теперь система представляет собой универсальный сенсор крови, который объединяет широкий набор медицинских диагностических функций в компактном портативном устройстве.

Q-POC

Компания QuantMDx разработала компактное устройство, которое может сканировать ДНК и идентифицировать множество болезней человека. Это устройство молекулярной диагностики может взять образец крови, проверить его на наличие определенных заболеваний и провести точный анализ в течение 15-30 минут. По словам разработчиков, точность анализов соответствует данным стационарной лаборатории.

QPOC использует в своей работе одноразовые картриджи, предназначенные для обнаружения определенных инфекционных болезней, рака и фармакогенетики. Среди инфекционных заболеваний - тропические и венерические болезни, ВИЧ, стандартные больничные инфекции, туберкулез, свиной грипп и коронавирус SARS-CoV-2. Разрабатываются тесты для малярии и желудочно-кишечных заболеваний.

Это устройство уже продается в Сингапуре. Правда необходимо отметить, что за время от разработки прототипа до создания реального устройства Q-POC заметно увеличился в размерах, и теперь скорее напоминает настольный прибор, чем портативный трикордер (первые вариант был похож на несколько растолстевший смартфон). Но зато теперь он в качестве образца использовать не только кровь, но и ткани, мочу, слюну, мокроту.

Warp 3

Китайская компания Warp United разработала медицинский рекордер Warp 3 - компактное устройство, весом не более 1 кг, которое позволяет провести измерение основных параметров здоровья и ультразвуковое исследование пациента в любом месте, в том числе и в домашних условиях.

Система с помощью входящего в нее устройства Volans 3 Vital Sign Module позволяет измерять 6-канальную ЭКГ, артериальное давление, частоту сердцебиения и дыхания, температуру тела, пульс, насыщенность крови кислородом (SpO2) и другие параметры здоровья. Кроме того, в состав комплекта входит модуль ультразвуковой диагностики Urxa 3 с тремя зондами разного типа для проведения различных видов УЗИ-сканирования.

Вся информация сохраняется на планшете и при необходимости может передаваться в медицинскую информационную систему (систему электронных медицинских карт) или в облачное хранилище через Интернет, используя для этого встроенные модули WiFi и GPRS/3G.

iGenomics

Ученые из американской Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) разработали мобильный анализатор геномных последовательностей в виде приложения для iPhone, которое получило название iGenomics. Соединив iPhone с портативным секвенсором ДНК компании Oxford Nanopore, пользователи получают мобильную лабораторию генетики, что-то вроде "ДНК-трикордера". Приложение iGenomics полностью работает на устройстве на основе iOS, исключив потребность в ноутбуках или большом оборудовании в полевых условиях, что удобно для специалистов, занимающихся пандемиями и экологией.

Разработка Cold Spring Harbor Laboratory делает процесс исследования геномов более удобным, доступным и недорогим. Пользователи могут выполнять секвенирование и переправлять данные друг к другу, причем они могут проводить анализ ДНК в самых удалённых местах - даже тех, где нет доступа к Интернету.

Разработчики сообщают, что их алгоритм позволяет быстро картировать последовательности ДНК вирусных патогенов, таких как вирус гриппа, коронавирус или вирус Зика, и выявлять мутации, важные для диагностики и лечения.

Проект университета Глазго

Исследователи из университета Глазго (Великобритания) разработали небольшой портативный прибор, который способен осуществлять сканирование для поиска определенных биомаркеров, что позволяет быстро и легко диагностировать пациентов на наличие у них конкретных заболеваний.

Это устройство предназначено для помощи врачам диагностировать наличие или развитие болезней практически в любом месте. Ключевым звеном этого прибора является вновь разработанный металлоксидный полупроводниковый чип (CMOS).

Чип разделен на четыре сектора, каждый из которых предназначен для обнаружения метаболита определенного типа - молекул-биомаркеров, которые можно найти в жидкостях человеческого тела, таких как моча или сыворотка крови. По наличию и количеству таких метаболитов врачи могут диагностировать определенные заболевания у пациентов. Прототип устройства уже может обнаруживать и измерять метаболиты, обычно ассоциируемые с инфарктом миокарда, инфарктом и раком простаты.

Отличительной особенностью устройства является его портативность. Сам чип имеет размеры 3.4 х 3.6 мм, а весь прибор помещается на ладони. Его питание осуществляется за счет смартфона или планшета на базе Android, подключение к которому осуществляется при помощи Micro-USB. Результаты с помощью этого устройства можно получить уже через две минуты.

Laser Diagnostics

Британские ученые из университета Астона разработали прототип системы, способной получать информацию из крови и тканей человека, используя лазерное излучение. Этот прибор в своей портативной версии уже прошел успешные испытания в больнице Ninewells в Данди (Шотландия).

По словам разработчиков устройство позволяет проводить несколько разнообразных тестов, которые делаются "быстро и безболезненно".

Прибор использует три разных лазера для мониторинга того, насколько эффективно кровь доставляется в ткани, измеряя уровни кислорода в крови и контролируя метаболизм клеток. При проведении измерений пациенту ничего делать нет необходимости, и он ничего не чувствует, когда лазерные лучи освещают его кожу. Полученные данные затем обрабатываются компьютером и визуализируются в графическом виде.

Этот прибор уже нашел практическое применение при диагностике инсульта и рака кожи. Устройство может в непрерывном режиме отслеживать кровообращение выше бровей пациента, помогая врачу снизить риск инсульта у пациентов с гипертонией. Что касается онкологии, то, по словам разработчиков, устройство предоставляет возможность высокоточной идентификации границ рака кожи головы и шеи, что позволяет снизить риск возвращения рака после проведения операции.

DARPA Project

Агентство по оборонным передовым исследовательским проектам (DARPA) ведет проект DIGET (Detect It with Gene Editing Technologies), в рамках которого оно надеется разработать устройства для обнаружения патогенных угроз, которые способны проводить до 1000 диагностических тестов менее чем за 15 минут. В идеале устройства должны определять наличие патогена и полезные подробности о нем, такие как лекарственно-устойчивый сорт, тяжесть инфекции и любые сопутствующие инфекции.

В этом проекте предполагается разработать два отдельных устрйоства. Первое устройство - это портативный диагностический прибор, который может подтвердить наличие как минимум 10 различных болезнетворных микроорганизмов. Устройство не должно содержать электронику и давать результаты, которые могут быть восприняты необученным человеком, как тест на беременность. Второе устройство должно быть многократно мультиплексированным и может включать в себя электронику. Инструмент должен быть способен выполнять 1000 тестов одновременно и давать более подробную информацию о патогене, например, является ли он лекарственно-устойчивым. Оба устройства должны дать ответы менее чем за 15 минут.

О проекте, который должен быть запущен в начале прошлого года, но, возможно, был приостановлен из-за пандемии, пока нет никакой информации.

* Трикордер (tricorder) — это многофункциональное ручное устройство из научно-фантастического фильма «Звёздный путь», используемое для сканирования параметров здоровья и окружающей среды, анализа и записи данных. Слово «tricorder» является аббревиатурой от полного названия устройства, «Tri-function reCORDER», ссылаясь на основные функции устройства: зондирование, вычисления и записи.

По материалам IEEE Spectrum, MediPense, StarFish Medical, DMI, Tech Briefs, QuantuMDx, Science Daily.