La "maschera intelligente" analizza il respiro per rilevare segni di condizioni mediche / ‘Smart mask’ analyses breath for signs of medical conditions

 La "maschera intelligente" analizza il respiro per rilevare segni di condizioni mediche / ‘Smart mask’ analyses breath for signs of medical conditions

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori del Caltech hanno sviluppato un prototipo di "maschera intelligente" che monitora una serie di condizioni mediche, tra cui disturbi respiratori.

A differenza di altre maschere intelligenti in fase di sviluppo che monitorano i cambiamenti fisici come la temperatura, l'umidità o la frequenza respiratoria, la maschera intelligente EBCare può analizzare le sostanze chimiche nel respiro di una persona in tempo reale. Durante l'uso, la maschera potrebbe monitorare i pazienti asmatici per i livelli di nitrito, una sostanza chimica che indica l'infiammazione delle vie aeree. La maschera è descritta in dettaglio in Science.

Il ricercatore capo, Wei Gao, professore di ingegneria medica al Caltech, ha affermato: "Monitorare il respiro di un paziente è qualcosa che viene fatto di routine, ad esempio, per valutare l'asma ed altre condizioni respiratorie. Tuttavia, questo ha richiesto al paziente di recarsi in clinica per la raccolta del campione, seguito da un periodo di attesa per i risultati di laboratorio.

"Da quando è scoppiato il COVID-19, le persone indossano di più le mascherine. Possiamo sfruttare questo aumento dell'uso delle mascherine per un monitoraggio personalizzato da remoto, per ottenere feedback in tempo reale sulla nostra salute a casa od in ufficio. Ad esempio, potremmo usare queste informazioni per valutare l'efficacia di un trattamento medico".

Per analizzare selettivamente le sostanze chimiche o le molecole presenti nell'alito di qualcuno, è necessario prima raffreddarlo e condensarlo in un liquido. In ambito clinico, questa fase di raffreddamento viene eseguita separatamente dall'analisi. I campioni di alito umido vengono raffreddati in secchi di ghiaccio od in refrigeratori refrigerati.

Nella nuova maschera di Gao, il respiro viene raffreddato da un sistema di raffreddamento passivo che integra il raffreddamento evaporativo dell'idrogel con il raffreddamento radiativo per raffreddare efficacemente il respiro sulle maschere facciali.

"La maschera rappresenta un nuovo paradigma per la gestione delle malattie respiratorie e metaboliche e per la medicina precisa, perché possiamo facilmente ottenere campioni di respiro ed analizzare le molecole chimiche nel respiro in tempo reale attraverso maschere quotidiane", ha affermato Wenzheng Heng, autore principale dello studio e studente laureato presso il Caltech. "Il condensato del respiro contiene gas solubili e sostanze non volatili sotto forma di aerosol o goccioline, come sostanze metaboliche, indicatori infiammatori e patogeni".

Una volta convertito il respiro in liquido, una serie di capillari trasporta il liquido ai sensori per l'analisi.

I risultati dell'analisi vengono poi trasmessi in modalità wireless ad un telefono, tablet o computer personale. "La maschera intelligente può essere preparata ad un costo relativamente basso", ha affermato Gao in una dichiarazione. "È progettata per costare solo circa 1 $ in materiali".

Per testare le maschere, il gruppo ha eseguito una serie di studi sull'uomo, concentrandosi principalmente su pazienti con asma o BPCO. Hanno monitorato specificamente il respiro dei pazienti per il nitrito, un biomarcatore per l'infiammazione in entrambe le condizioni. I risultati hanno mostrato che le maschere hanno rilevato accuratamente il biomarcatore, indicando l'infiammazione nelle vie aeree dei pazienti. 

In un altro studio, il gruppo ha dimostrato che le maschere rilevano con precisione i livelli di alcol nel sangue nei soggetti umani, il che suggerisce che potrebbero essere utilizzate per controlli in loco in caso di guida in stato di ebbrezza o per altre forme di monitoraggio del consumo di alcol. 

Hanno anche esaminato come le maschere potrebbero essere potenzialmente utilizzate per valutare i livelli di urea nel sangue nel monitoraggio e nella gestione delle malattie renali. Man mano che la funzionalità renale diminuisce, i sottoprodotti del metabolismo proteico come l'urea si accumulano nel sangue. Contemporaneamente, l'urea aumenta nella saliva, che si scompone in gas di ammoniaca, e questo porta a livelli di ammonio più elevati nel condensato del respiro. Il nuovo studio ha dimostrato che le maschere intelligenti potrebbero rilevare con precisione questi livelli di ammonio, riflettendo da vicino i livelli di urea nel sangue.

"Questi primi studi sono una prova di concetto", ha detto Gao. "Vogliamo espandere questa tecnologia per incorporare diversi marcatori correlati a varie condizioni di salute. Questa è una base per creare una maschera che funzioni come una piattaforma versatile di monitoraggio della salute generale".

ENGLISH

Researchers at Caltech have developed a prototype ‘smart mask’ that monitors a range of medical conditions, including respiratory ailments.

In contrast to other smart masks being developed that monitor physical changes like the temperature, humidity, or rate of breath, the EBCare smart mask can analyse the chemicals in a person’s breath in real time. In use, the mask could monitor asthma patients for levels of nitrite, a chemical that indicates airway inflammation. The mask is detailed in Science.

Lead researcher, Wei Gao, professor of medical engineering at Caltech, said: "Monitoring a patient's breath is something that is routinely done, for example, to assess asthma and other respiratory conditions. However, this has required the patient to visit a clinic for sample collection, followed by a waiting period for lab results.

"Since COVID-19, people are wearing masks more. We can leverage this increased mask use for remote personalised monitoring to get real-time feedback about our own health in our home or office. For instance, we could use this information to assess how well a medical treatment may be working."

To selectively analyse the chemicals or molecules in somebody's breath, it first needs to be cooled and condensed into a liquid. In clinical settings, this cooling step is done separately from the analysis. Moist breath samples are chilled on buckets of ice or refrigerated coolers.

In Gao's new mask the breath is cooled by a passive cooling system that integrates hydrogel evaporative cooling with radiative cooling to effectively chill the breath on face masks.

"The mask represents a new paradigm for respiratory and metabolic disease management and precise medicine because we can easily get breath specimens and analyse the chemical molecules in breath in real time through daily masks," said Wenzheng Heng, lead author of the study and a graduate student at Caltech. "The breath condensate contains soluble gases as well as non-volatile substances in the form of aerosols or droplets, such as metabolic substances, inflammatory indicators, and pathogens."

Once the breath has been converted into a liquid, a series of capillaries transports the liquid to sensors for analysis.

The results of the analysis are then transmitted wirelessly to a personal phone, tablet, or computer. "The smart mask can be prepared at a relatively low cost," Gao said in a statement. "It is designed to cost only about $1 in materials."

To test the masks, the team performed a set of human studies, primarily focused on patients with asthma or COPD. They specifically monitored the patients' breath for nitrite, a biomarker for inflammation in both conditions. The results showed that the masks accurately detected the biomarker, indicting inflammation in the patients' airways. 

In another study, the team demonstrated that the masks accurately detected blood alcohol levels in human subjects, suggesting the masks could be used for on-site drinking-and-driving checks or other forms of alcohol-consumption monitoring. 

They also looked at how the masks could potentially be used to evaluate blood urea levels in the monitoring and management of kidney disease. As kidney function declines, protein metabolism by-products like urea accumulate in the blood. Simultaneously, urea increases in saliva, which breaks down into ammonia gas, and this leads to higher ammonium levels in the breath condensate. The new study showed that the smart masks could accurately detect these ammonium levels, closely reflecting urea levels in the blood.

"These first studies are a proof of concept," said Gao. "We want to expand this technology to incorporate different markers related to various health conditions. This is a foundation for creating a mask that functions as a versatile general health–monitoring platform."

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/smart-mask-analyses-breath-for-signs-of-medical-conditions