Malý, menší a nejmenší

Mnohá z nejpoužívanějších medicinských zařízení, jako jsou kardiostimulátory a kochleární implantáty, výrazně zlepšila kvalitu života lidí a zachránila životy bezpočtu pacientů. Osvědčila se při léčbě nemocí i při monitorování dlouhodobých stavů. Zpravidla však nejsou příliš praktická. Ke svému správnému fungování potřebují více obvodů, vodičů a bateriových sad a do těla se dostávají pomocí operace.

Čip, který se vejde do injekční jehly
Technologický pokrok však naznačuje i jiné možnosti, jak dokumentuje studie výzkumníků z Kolumbijské univerzity, kteří vyvinuli unikátní miniaturní čip viditelný pouze mikroskopem. Čip by bylo možné implantovat jednoduše pomocí injekční stříkačky. S objemem pouhých 0,1 mm3 (což je velikost srovnatelná s prachovým roztočem) aspiruje na titul nejmenšího jednočipového systému na světě.
Kromě zvýšení funkčnosti v menším zařízení bylo cílem týmu vyvinout čip, který by bylo možné do lidského těla aplikovat pomocí podkožní jehly vpichem, bez nutnosti použít operaci. Metrikou je zde objemová účinnost (množství funkcí, které lze vtěsnat do daného množství přemístěného objemu), a výsledkem implantabilní zařízení, v němž je celý integrovaný obvod tak malý, že je možné jej umístit do špičky injekční jehly.
Výzkumníci se spoléhají na ultrazvuk, který by pomocí ultrazvukové čtečky našel čip v těle a umožnil s ním bezdrátovou komunikaci pro předání informací. V současné podobě čip měří pouze tělesnou teplotu, jeho tvůrci ho však vidí jako odrazový můstek pro budoucí pokrok implantovatelných CaS zařízení. Zpočátku by tato zařízení mohla být použita k monitorování teploty, krevního tlaku, hladiny glukózy a dýchání.
Jak uvedl Ken Shepard, profesor biomedicínského inženýrství z Kolumbijské univerzity, zařízení CaS by měla splňovat tři hlavní charakteristiky: musí mít bezdrátové napájení (žádné dráty nebo baterie), musí integrovat další převodníky, které mohou být vyžadovány (pro zařízení ve zmíněné studii to byly piezoelektrické krystaly), a samotné čipy musí být formovány do implantabilního tvaru (v této studii se jedná o ultramalý formát použitelný pro injekci, ale v závislosti na aplikaci jsou možné i jiné tvarové faktory).

Nová generace optické technologie
Miniaturizace dosáhla pozoruhodných úspěchů i v zobrazovací technice. V roce 2020 byla do Guinessovy knihy rekordů zapsána jako nejmenší fotoaparát na světě specializovaná lékařská kamera o velikosti zrnka písku. Její rozměry 0,65 x 0,65 x 1,158 mm ji zařadily jako nejmenší komerčně dostupný obrazový snímač. Senzor, který vyrábí kalifornská firma OmniVision Technologies pořizuje obraz rychlostí 30 snímků za sekundu a analogový výstup lze přenášet na vzdálenost až 4 m s minimálním šumem.
Pozdější model OV6948-RALA stejného výrobce měl rozměry ještě kompaktnější, pouhých 0,575 x 0,575 x 0,232 mm. Disponoval hmotností 0,87 g, diagonálním zorným polem 120°, ohniskovou vzdáleností 0,175 mm a světelností f/2,8. Pomocí čipu RGB Bayer s podsvícením zadní strany vytváří barevný obraz s rozlišením 200 x 200 px. Rozlišení se může zdát nízké, ale kamera je navržena tak, aby se vešla do nejmenších žil v lidském těle a poskytla chirurgům pohledy pro diagnostiku a chirurgické zákroky. Subminiaturní kamera je navržena jako jednorázová a používá se s vodicími dráty, katetry a endoskopy. Její nízká spotřeba energie (příkon 25 mW) generuje méně tepla, což umožňuje delší dobu trvání procedury a lepší komfort pro pacienta.

Když „fotí“ celý povrch
Ale i tento rekord už možná našel svého nástupce v podobě experimentálního zařízení, o němž přinesl v závěru loňského roku informaci magazín Nature Communications. Kamerka o velikosti zrnka soli je dílem vědců z Princeton University a University of Washington a její tvůrci uvádějí, že dokáže pořizovat ostré, plnobarevné snímky stejně dobře jako běžné fotoaparáty, které jsou 500 000krát větší.
Zatímco konvenční fotoaparáty používají k ohýbání světelných paprsků do ohniska několik zakřivených skleněných nebo plastových čoček, nový miniaturní systém používá metapovrch, který lze vytvořit stejně jako počítačový čip. Je jen půl milimetru široký a skládá se z 1,6 milionu různorodých sloupků válcovitého tvaru. Když tyto tyčinky podobné anténám interagují se světlem, produkují pomocí algoritmů lepší snímky a zachycují širší záběr než jakákoliv dosud vytvořená plnobarevná metapovrchová kamera.
Klíčové bylo zjistit, jak navrhnout a nakonfigurovat tyto malé nanostruktury, aby fungovaly k požadovanému účelu, a zkombinovat design optického povrchu s algoritmy následného zpracování signálu, které vytvářejí obraz. Tuto výzvu pomohlo zvládnout vytvoření počítačového simulátoru pro testování různých typů malých antén. Simulátor nevyžadoval velké množství paměti a času kvůli obrovskému počtu antén a složitosti jejich interakcí se světlem. Umožnil předpovídat, jak dobře mohou metapovrchy vytvářet snímky s dostatečnou přesností.
Metapovrchy jsou z nitridu křemíku, materiálu podobného sklu, který lze snadno vyrobit a pořídit levněji než čočky v běžných fotoaparátech. Výzkumníci věří, že se už brzy dostanou např. do mobilních telefonů apod., kde by nová technologie mohla umožnit zlepšit zobrazování, protože tisíce malých zařízení by mohly pokrýt celý povrch smartphonu a stát se jedním obřím fotoaparátem, místo současných několika různých fotoaparátů v jednom zařízení. Lékařům zase může pomoci diagnostikovat a léčit nemoci méně invazivně než tradiční endoskopie.

Vladimír Kaláb

Foto: Columbia University School of Engineering and Applied Science, OmniVision, Princeton University

Publikováno: 3. 3. 2022 | Počet zobrazení: 391 94