Kan gazlarının akciğerlerden kana ne kadar iyi aktığını gösteren karbondioksit ve oksijen kısmi arter basınçlarını ölçmek için en doğru yaklaşım, rahatsız edici bir arteriyel kan alımı gerektirir. Yoğun bakım ünitelerinde bile numuneler genellikle günde sadece üç kez alındığından, önemli değişiklikler saatlerce fark edilmeyebilir. Bu kan gazlarını ölçebilen noninvaziv cihazlar vardır, ancak bunlar hantal ve pahalıdır ve bazıları gazların ciltten perfüzyonunu artırmak için ısıtıcılar kullanır, bu da sensörler sık sık hareket ettirilmezse yanıklara neden olabilir.
Güler ve araştırma ekibi dört yıldır bu zorlu hedef için çalışıyor, ancak hala aşılması gereken çok sayıda engel var. Ancak Güler, kısmen 1 milyon dolardan fazla federal ve endüstri finansmanı ile mümkün olan mevcut gelişimlerinin, çok uzak olmayan bir gelecekte hepsi bir arada solunum sensörü yaması hayalini gerçekleştirmesine olanak sağlayacağı konusunda iyimser.
Eğitimim gereği elektronik mühendisiyim” diyor. “Bilgisayar çipleri üretiyorum. Ancak gelecek nesil biyomedikal ekipmanlar akıllı, minyatür, giyilebilir ve implante edilebilir olacağı için biyomedikal araştırmalar yapmakla da ilgileniyorum. Bu da çiplerin onlara güç vereceği anlamına geliyor.
WPI’da genç bilim insanlarının önceki çalışmalarını geliştirirken aynı zamanda yeni bir çığır açan bir odak konusu araması gerektiğini erken keşfetti. Uzmanlık alanını bulmak için UMass Memorial Sağlık sistemindeki tıp uzmanlarına en acil olarak ne tür biyomedikal teknolojilere ihtiyaç duyduklarını sordu. UMass Memorial Neonatoloji Bölümü şefi ve Pediatri Bölümü başkanı Lawrence M. Rhein, MD, bunlardan biriydi.
“Bana kan gazlarını değerlendirmek için daha doğru bir yöntem geliştirmenin önemini anlattı. Küçük yenidoğanlar, büyük çocuklar ve yetişkinler kadar çok kan dökmezler ve kan alındığında, bilgiler yalnızca o anda geçerlidir. Ancak, doktorlar aslında geçmişi gözden geçirmek isterler. Buna ek olarak, yenidoğan yoğun bakım ünitesindeki (YYBÜ) bebekler, solunum sıkıntısını izlemek için noninvaziv yöntemler kullanıldığında bile bazen günlerce bir cihaza bağlı kalmalıdır. Güler bunun ilk elden farkında.
İlk çocuğu Musa’yı on dört yıl önce İstanbul’da bir hastanede doğurmuş. “Onu bana bir saatliğine verdiler” diyor ve ekliyor: “Sonra solunumunda bir sorun olduğunu fark ettiler. Oğlu yeni doğan yoğun bakım ünitesinde izlenirken hastanede üç gün geçirmiş. Onu bir seferde sadece on ya da on beş dakika tutabildim. Bu gerçekten can sıkıcıydı çünkü onun yanında olmak istiyordum.
Güler’in kısa sürede bir hedefi ve önceki tüm projelerde kendisiyle birlikte çalışan Rhein adında bir araştırma ortağı oldu. Rhein, “Yaptığımız ekipmanlar, deneylerimizin sonuçları ve tıpla ilgili her konuda onunla irtibata geçiyoruz” diyor. WPI’da Bernard M. Gordon Mühendislik Dekanı ve entegre devreler konusunda uzman olan ve Güler’i elektrik mühendisliği bölüm başkanıyken işe alan John McNeill’in yanı sıra Güler, Michigan State Üniversitesi’nde elektrik mühendisliği ve biyomedikal mühendisliği yardımcı doçenti olan ve biyomedikal mühendisliği alanında hesaplamalı modelleme konusunda uzmanlaşan Bige Deniz Ünlütürk ile de çalışıyor.
Yeni biyomedikal cihaz geliştirme sadece pahalı değil, aynı zamanda teknik olarak da zor. Güler, uzmanlığını keşfettikten sonra hibe taleplerinde bulunmaya başladı. Laboratuvarını WPI-UMass Chan Tıp Fakültesi Ortak Tohum Finansmanı Hibe Programı’ndan aldığı fon ve Wilmington, Massachusetts merkezli yarı iletken üreticisi Analog Devices’dan aldığı iki ödül sayesinde kurabildi. (Rhein ayrıca Güler’e kullandığı test ekipmanlarını da ödünç verdi).
Araştırma programına önemli bir destek, Ulusal Bilim Vakfı’ndan gelen iki hibeden geldi: Solunum takibi için noninvaziv minyatürize kan gazı sensörü üzerindeki çalışmaları desteklemek için beş yıllık, 500.000 dolarlık CAREER ödülü ve bebekler için giyilebilir bir kan gazı monitörü için hesaplama modelleri oluşturmak için 500.000 dolarlık bir ödül. NSF’nin yeni araştırma girişimleri başlatan genç öğretim üyeleri için verdiği en saygın ödüller CAREER ödülleri olarak adlandırılmaktadır.
Güler ve grubu görevlerini tamamladı. Neredeyse altı ay boyunca solunum, kan gazları ve bunları ölçme teknikleri hakkında keşfedebilecekleri her şeyi araştırdılar. Araştırmamız için, minyatürleştirme için ve tıbbi bir cihazda uygulama için ne tür algılama teknolojilerinin hazır ve uygun olduğunu bilmemiz gerekiyordu, diyor. Rhein ve Güler’in yanı sıra ekibin ilk iki doktora öğrencisi Ian Costanzo ve Devdip Sen, araştırmalarını IEEE Reviews in Biomedical Engineering’de yayınlanan ve oldukça referans verilen bir makalede detaylandırdı.
Şu anda mevcut noninvaziv sensörlerin tespit ettiği arterlerdeki kısmi oksijen basıncının, deriden difüze olan oksijenle doğrudan ilişkili olabileceğini keşfettiler. Şu anda iki yüksek lisans öğrencisi, dört doktora adayı ve Major Qualifying Projects üzerinde çalışan lisans öğrencilerinden oluşan Güler ve ekibi, belirli frekanslarda ışığa tepki veren lüminesans filmleri kullanarak yayılan oksijen ve karbondioksiti ölçmeye karar verdi. Bir tür lüminesans filmin üzerine mavi ışık tutarak oksijen molekülleri tarafından emilen kırmızı ışık yaymasını sağladılar. Sensöre geri yansıyan kırmızı ışık miktarı mevcut oksijen miktarıyla ters orantılı olacağından, yansıyan ışığın yoğunluğu dağılmış oksijen miktarını ortaya çıkarmalıdır.
Oksijen sensörü prototipleri Güler’in ekibi tarafından oluşturuldu. Bir test odasında, “ilk prototip ile yüksek ve düşük oksijeni algılayabildiğimizi görebildik” diye açıklıyor. Bu gerçekten çok heyecan vericiydi. Bunun mümkün olduğunu biliyorduk ama ilk kez gerçekten tanık oluyorduk.
Bu laboratuvar testleri sayesinde, yoğunluğu tek başına izlemenin sürekli olarak güvenilir veriler üretmeyeceğini keşfettiler. Hem yoğunluğun hem de yansıyan ışığın yoğunluğunun önceden belirlenmiş bir seviyenin altına düşmesinin ne kadar sürdüğünü ölçen bozulma süresinin ölçümlerini yapmak daha iyi bulgular sağlayabilirdi.
Elde edilen bu bulgular ve oksijen sensörünün iyi bir ilerleme kaydetmesiyle Güler, şimdi odak noktasını çözülmesi çok daha zor bir sorun olan karbondioksitin izlenmesine çevirdi.
Karbondioksit sensörü de tıpkı oksijen sensörü gibi ışık yayan malzeme kullanacak. Güler, oksijen sensörü ile aynı cihazda birleştirilebilen nispeten yeni bir floresan film türü olan bir florofor filmi seçti. Güler, oksijen sensörüne benzer şekilde, ışığın hem yoğunluğunun hem de bozunma süresinin ölçülmesini öneriyor. Oksijenin bozunma süresi yavaş olduğu için -mikrosaniye aralığında- ölçülmesinin nispeten basit olduğunu açıklıyor. Ancak karbondioksitin yarı ömrü çok kısadır ve bu da onu yakalamayı zorlaştırır.
Güler, kendisinin ve öğrencilerinin hassas CO2 okumaları elde etmek için bozunma süresi dışında, iletilen ve yansıyan ışığın fazındaki küçük değişimleri tespit etmek gibi teknikleri araştırdıklarını belirtiyor. Ayrıca, yoğunluğun bozunma süresine oranının, her iki değişkenden tek başına daha doğru bilgi sunabileceği olasılığını da inceliyorlar. Okuma stratejisinin çok önemli olduğuna inanıyor. “Aksi takdirde, çöp okuyor olabiliriz.”
Giyilebilir bir solunum sensörünün tüm parçalarını yara bandı boyutundaki bir yamaya sığdırmak için her şeyin kompakt olması gerekir. Bunlardan ilki, boyut ve biçim olarak kağıt delgeç delikleriyle karşılaştırılabilecek iki oksijen ve karbondioksit lüminesans film sensörüdür. Yamada ayrıca küçük bir çip, kablosuz veri iletimi için devre, bir güç kaynağı (piller veya kablosuz güç aktarımı) ve ışık üretmek ve algılamak için küçük ışık yayan diyotlar ve fotodiyotlar bulunacaktır.
Kaynak: wp.wpi.edu/journal
