Älykellot ja -sormukset sekä monet optiset lääketieteelliset laitteet käyttävät valoa mittaamiseen ihon lävitse. Muut kuin vaaleat ihonvärit ovat kuitenkin optiselle teknologialle vaikea haaste. Siksi VTT:n tutkijat kehittivät ihoa jäljitteleviä monikerroksisia testimalleja, niin sanottuja fantomeja, joiden keinotekoisissa verisuonissa virtaa verenkaltainen neste ja joissa kahvi jäljittelee ihon sävyjä. Ratkaisun avulla tuotekehittäjät voivat testata laitteita erittäin realistisella tavalla ja parantaa niiden tarkkuutta.
Nykyisin monet valoon perustuvat optiset lääketieteelliset- ja kuluttajalaitteet toimivat hyvin, kunhan käyttäjän ihonväri on vaalea. Mitä enemmän pigmenttiä eli melaniinia ihossa on, sitä enemmän hankaluuksia laitteiden toimivuudessa esiintyy.
Syy on se, että melaniini absorboi eli ikään kuin imee tiettyjen värien valoa huomattavasti ja jopa estää optisia signaaleja. Esimerkiksi veren happipitoisuuden optiset mittauslaitteet voivat ilmoittaa epätarkkoja lukemia, jos potilaan ihonväri on tumma. Tämä vinouma on herättänyt huolta diagnostiikan tarkkuudesta, tasa-arvosta ja potilasturvallisuudesta terveydenhuollossa.
Ongelman taustalla on optisten laitteiden tuotekehitys. Historiallisesti siinä on kiinnitetty huomiota lähinnä vaaleaan ihoon. Tummempien ihonvärien testauksen puute ja siitä johtuva optisen pulssioksimetrin epätarkkuus herättivät julkisuudessa huomiota COVID-19-pandemian aikana.
”Optisia puettavia laitteita valmistavat teolliset toimijat tuntevat tuskan, mutta eivät tiedä, miten sen voisi parantaa. Hyvin harva yritys käyttää optisia fantomimalleja, pääasiassa siksi, ettei niitä ole kaupallisesti saatavilla. Lisäksi heidän asiantuntemuksensa edustaa optista, sähköteknistä ja biolääketieteellistä insinööritaitoa ja he tarkastelevat mittausta laitteen näkökulmasta, eivät ihmisen ihon näkökulmasta”, sanoo VTT:n johtava tutkija Alexey Popov, jonka vetämä tutkimusryhmä on esitellyt uraauurtavan ratkaisun Journal of Biomedical Optics -lehdesä.
Silikonifantomit keinotekoisella verenkierrolla
VTT:n tutkimusryhmä päätti puuttua vinoumaan ja virhediagnoosin riskiin kehittämällä uusia ihoa jäljitteleviä optisia fantomeja. Niiden tulisi pystyä jäljittelemään oikean ihon optisia ja mekaanisia ominaisuuksia laajalla ihon värisävyalueella ja samanlaisella heijastusspektrillä.
Tutkimusryhmä suunnitteli ja valmisti monikerroksisia silikonifantomeja, jotka sisältävät samat pääkerrokset kuin oikea iho: orvaskeden, verinahan ja ihonalaiskudoksen. Verinahkaan on integroitu verisuonirakenne, jonka keinotekoisissa verisuonissa virtaa veren kaltaista nestettä mikropumpun avulla. Keinotekoinen sydän- ja verisuonijärjestelmä on välttämätön optisen teknologian testauksessa.
”Testasimme fantomimallejamme puettavalla laitteella, joka on myös VTT:n kehittämä. Laite on kuin älykello, jossa on valodiodeja ja antureita, jotka mittaavat keinotekoista verenkiertoa reaaliajassa”, Popov sanoo.
Yllätysratkaisu: kahvi
Pintakerroksessa tutkijat pyrkivät käyttämään erilaisia ihonvärejä, jotka vastaavat eurooppalaisia, eteläaasialaisia ja afrikkalaisia väestöryhmiä. Näiden värien jäljittelyyn fantomimallien ihonvärissä testattiin useita materiaaleja, kuten kaupallisia pigmenttiseoksia – sekä suomalaisille niin tuttua kahvia.
”Selvästi paras ja käytännöllisin materiaali melaniinin jäljittelyyn oli pikakahvi, jolla on hyvin mielenkiintoisia optisia ominaisuuksia. Kahvilla on melaniinin kaltainen absorptiospektri. Kahvin pitoisuutta muuttamalla pystyimme kattamaan merkittävän osan ihon sävyjen väriskaalasta,” Alexey Popov kertoo.
Lopuksi fantomeja arvioitiin optisella spektroskopialla ja hyperspektrikuvantamisella. Tulokset olivat selkeitä: VTT:n uudet fantomimallit todistivat potentiaalinsa toimia arvokkaina työkaluina, joilla voidaan parantaa erilaisille väestöryhmille sopivien optisten lääkintälaitteiden ja kuluttajien puettavien laitteiden tuotekehitystä. Jopa aitoa mustetta sisältäviä tatuoituja fantomeja voitaisiin kehittää, jotta voidaan ratkaista miljoonia ihmisiä koskevia samankaltaisia ongelmia.
”Toinen myyntivaltti on se, että mallimme ovat erittäin kestäviä. Testasimme niitä yhdeksän kuukauden ajan, mutta ne kestävät pidempäänkin. Ne lyövät laudalta fantomit, jotka pilaantuvat päivässä parissa tai viikossa, koska fantomimme eivät sisällä vettä tai orgaanisia aineita, kuten proteiineja, lipidejä tai oikeaa verta,” Popov sanoo.
Fantomit herättävät jo laajaa kaupallista kiinnostusta
VTT:n fantomit helpottavat myös ihmisillä tehtävien tuotetestien ongelmaa. Ne ovat hankalia, koska ihmiset ja heidän kehonsa osat ovat testikohteina epävakaita, vaikeasti valvottavia ja toistettavuuden kannalta hankalia, eivätkä ne ole saatavilla ympäri vuorokauden. Todenmukaiset fantomit voisivat minimoida tai jopa poistaa tarpeen testata laitteita aidolla iholla.
Tutkimusryhmä jatkaa fantomien käyttöön perustuvien tulosten julkaisemista. Aiheina ovat sydän- ja verisuonijärjestelmän diagnostiikka, pulssioksimetrien kalibrointikäyrien säätö eri ihonsävyille sekä tekoälyavusteinen fysiologisten parametrien tallennus ihon heijastusspektristä.
VTT:n tutkijat ovat esitelleet fantomeja näyttelyissä ja yrityksille, mikä on herättänyt laajaa kiinnostusta.
”Tämä on hyvin monitieteinen ala. Yrityksillä ei useinkaan ole tietoa, malleja ja erityisiä työkaluja, joilla voisi ratkaista ihonväriin liittyviä ongelmia asianmukaisesti. Siksi ne tulevat luoksemme ja haluavat asiantuntemustamme. Meillä on jo käynnissä yhteistyötä alan johtavien toimijoiden kanssa. Samaan aikaan haemme myös julkista rahoitusta toteuttaaksemme ideoita, jotka vaativat lisätyötä ollakseen houkuttelevia teollisuudelle,” Alexey Popov kertoo.
VTT:n ihoa jäljittelevien optisten fantomimallien tutkimusta ovat rahoittaneet Business Finlandin PhotonWear-projekti ja Suomen Akatemian PREIN-lippulaivaohjelma.
Schematic of the multi-layered skin-mimicking phantom developed at VTT. Image by Principal Scientist Alexey Popov, VTT, Flexible electronics and Human sensing.
Jatka lukemista
Palvelu:
Teollisuuden anturointiratkaisut
White paper:
Läpi kuolemanlaakson − Mistä Suomi kasvaa?
Jaa
