Jak spektrofotometria zmienia medycynę - Sajan Saini

Zobacz całą lekcję: https://ed.ted.com/lessons/how-light-technology-is-changing-medicine-sajan-saini

Coraz bardziej zwyczajny widok w szpitalach na świecie: pielęgniarka mierzy nam wzrost, wagę i ciśnienie, a potem zakłada świecący plastikowy klips na palec. Nagle na monitorze widać poziom tlenu we krwi. Jak to się dzieje? Sajan Saini opowiada o tym, jak połączona technologia świetlna i zintegrowana fotonika prowadzą do nowych technologii w medycynie oraz mniej inwazyjnych narzędzi diagnostycznych.

Lekcja: Sajan Saini, reżyseria: Artrake Studio.

Coraz bardziej zwyczajny widok
w szpitalach na świecie:

pielęgniarka mierzy
nam wzrost, wagę i ciśnienie,

a potem zakłada świecący
plastikowy klips na palec.

Nagle na monitorze widać
poziom tlenu we krwi.

Jak to się dzieje?

Co plastikowy klips może wiedzieć o krwi

bez pobrania próbki?

Oto sekret:

nasze ciała są prześwitujące,

czyli nie do końca blokują
i odbijają światło.

Trochę światła przechodzi przez skórę,

mięśnie i naczynia krwionośne.

Ciężko uwierzyć?

Przyłóż latarkę do kciuka.

Okazuje się, że światło może pomóc
w badaniu wnętrzności.

Medyczny klips na palec

to pulsoksymetr.

Podczas wdechu płuca przenoszą
tlen do cząsteczek hemoglobiny,

a pulsoksymetr mierzy stosunek
utlenowanej do nieutlenowanej hemoglobiny.

Robi to za pomocą małego czerwonego
światła LED po jednej stronie klipsa

i małego detektora światła po drugiej.

Kiedy dioda LED świeci w palec,

nieutlenowana hemoglobina w naczyniach
krwionośnych absorbuje czerwone światło

silniej niż jej utlenowany odpowiednik.

Ilość światła przedostająca się
na drugą stronę

zależy od stosunku stężenia
dwóch rodzajów hemoglobiny.

Jednak naczynia w palcach pacjentów
różnią się wielkością.

Dla jednego pacjenta
odczyt nasycenia wynoszący 95%

odpowiada zdrowemu poziomowi tlenu,

ale dla innego pacjenta
z mniejszymi tętnicami

ten sam odczyt może zakłamać
rzeczywisty poziom tlenu.

Można to sprawdzić za pomocą
drugiej podczerwonej diody LED.

Światło ma szerokie spektrum długości fal,

a światło podczerwone jest nieco
poza widocznymi kolorami.

Wszystkie cząsteczki, w tym hemoglobina,

pochłaniają światło w tym spektrum
z różną skutecznością.

Porównanie absorpcji światła
czerwonego z podczerwonym

daje chemiczny odcisk palca

bez względu na rozmiar
naczyń krwionośnych.

Obecnie rozwijane czujniki medyczne
badają w zupełnie nowym stopniu

dokładność chemicznej daktyloskopii,

manipulując światłem urządzeniami
mniejszymi od jednej dziesiątej milimetra.

Ta mikrotechnologia,

czyli zintegrowana fotonika,

wykonana jest z drutów krzemowych
przewodzących światło

jak woda w rurze.

Przekierowuje je, zmienia kształt,
a nawet tymczasowo przetrzymuje.

Rezonator pierścieniowy,
czyli okrągły drut krzemu,

jest pułapką dla światła, która poprawia
jakość chemicznej daktyloskopii.

Pierścień umieszczony
blisko drutu krzemowego

wysysa i tymczasowo magazynuje
tylko niektóre fale światła:

te, których okresowa długość fali

pasuje do długości obwodu pierścienia.

Tak samo pracują struny
w grającej gitarze.

Tylko niektóre wibracje dominują
na strunach o określonej długości,

co nadaje im ton i alikwoty.

Rezonatory pierścieniowe
pierwotnie stworzono

do skutecznego kierowania
różnymi długościami fal światła

każdego kanału danych cyfrowych

w światłowodowych sieciach
komunikacyjnych.

Kiedyś ten rodzaj trasowania danych
może znajdzie zastosowanie

w miniaturowych laboratoriach
daktyloskopii chemicznej

na czipach wielkości grosza.

Te przyszłe laboratoria w czipie
mogą łatwo, szybko

i nieinwazyjnie wykrywać wiele chorób,

analizując ślinę lub pot
w gabinecie lekarskim

lub w domowych pieleszach.

Szczególnie ludzka ślina

odzwierciedla skład białek
i hormonów w organizmie.

Może być wczesnym ostrzeżeniem
w przypadku niektórych nowotworów,

chorób zakaźnych i autoimmunologicznych.

Żeby dokładnie zidentyfikować chorobę,

laboratorium w czipie
może polegać na kilku metodach,

w tym na daktyloskopii chemicznej,

w celu badania dużych próbek
substancji śladowych w ślinie.

Różne biocząsteczki w ślinie pochłaniają
światło o tej samej długości fali.

ale każda z nich ma inny,
wyraźny chemiczny ślad.

W laboratorium w chipie,
po przejściu światła przez próbkę śliny,

ciąg precyzyjnie dostrojonych mechanizmów

może izolować inne długości fal światła

i wysyłać je do innego detektora światła.

W efekcie zestaw detektorów

określi skumulowany chemiczny ślad próbki.

Na podstawie tych informacji
niewielki komputer w chipie,

zawierający bibliotekę
chemicznych śladów różnych cząsteczek,

może ustalić ich względne stężenie

i pomóc zdiagnozować konkretną chorobę.

Od światowej komunikacji
po laboratoria na czipach

ludzkość posługuje się światłem
do przenoszenia i zdobywania informacji.

Jego umiejętność oświecania
wciąż nas zaskakuje nowymi odkryciami.