Naukowcy z Northwestern University wprowadzają bezprzewodowy stetoskop do ciągłego monitorowania parametrów życiowych

Pierwsze w swoim rodzaju urządzenia do noszenia na ciele rejestrują dźwięki ciała w celu ciągłego monitorowania stanu zdrowia
Nowe urządzenia zostały przetestowane na szeregu pacjentów, od wcześniaków po osoby starsze

Data premiery: 16 listopada 2023 r

Kontakt dla mediów
Kristin Samuelson (847) 491-4888
Kristin Amanda Morris (847) 467-6790

Od uderzeń serca po bulgotanie w żołądku, dźwięki zawierają ważne informacje zdrowotne
Nowe urządzenia bezprzewodowe umieszczane na skórze w celu ciągłego rejestrowania dźwięków, a następnie przesyłania danych do smartfonów lub tabletów w czasie rzeczywistym
Urządzenia oddzielają dźwięki wewnątrz ciała od hałasu otoczenia poza ciałem
W badaniach pilotażowych urządzenia dokładnie śledziły dźwięki związane z czynnością układu krążenia i oddechowego, aktywnością przewodu pokarmowego, połykaniem i oddychaniem
Urządzenia są szczególnie cenne dla wcześniaków, które mogą doświadczać bezdechów i powikłań żołądkowo-jelitowych, którym towarzyszą dźwięki

EVANSTON, Ill. - Podczas nawet najbardziej rutynowych wizyt, lekarze słuchają dźwięków wewnątrz ciała swoich pacjentów - powietrza wchodzącego i wychodzącego z płuc, uderzeń serca, a nawet trawionego pokarmu przechodzącego przez długi przewód pokarmowy. Dźwięki te dostarczają cennych informacji o stanie zdrowia danej osoby. A kiedy dźwięki te subtelnie się zmieniają lub wręcz ustają, może to sygnalizować poważny problem, który wymaga interwencji w odpowiednim czasie.

Teraz naukowcy z Northwestern University wprowadzają nowe, miękkie, zminiaturyzowane urządzenia do noszenia, które wykraczają daleko poza epizodyczne pomiary uzyskiwane podczas okazjonalnych badań lekarskich. Miękko przylegające do skóry urządzenia stale śledzą te subtelne dźwięki jednocześnie i bezprzewodowo w wielu lokalizacjach w niemal każdym regionie ciała.

Nowe badanie zostało opublikowane dzisiaj (16 listopada) w czasopiśmie Nature Medicine.

W badaniach pilotażowych naukowcy przetestowali urządzenia na 15 wcześniakach z zaburzeniami ruchliwości układu oddechowego i jelit oraz 55 dorosłych, w tym 20 z przewlekłymi chorobami płuc. Urządzenia nie tylko działały z dokładnością na poziomie klinicznym, ale także oferowały nowe funkcje, które nie zostały opracowane ani wprowadzone do badań lub opieki klinicznej.

"Obecnie nie istnieją żadne metody ciągłego monitorowania i przestrzennego mapowania dźwięków ciała w domu lub w warunkach szpitalnych" - powiedział John A. Rogers z Northwestern, pionier bioelektroniki, który kierował rozwojem urządzenia. "Lekarze muszą przykładać konwencjonalny lub cyfrowy stetoskop do różnych części klatki piersiowej i pleców, aby osłuchać płuca punkt po punkcie. W ścisłej współpracy z naszymi zespołami klinicznymi postanowiliśmy opracować nową strategię monitorowania pacjentów w czasie rzeczywistym w sposób ciągły i bez obciążeń związanych ze sztywną, przewodową, nieporęczną technologią"

"Ideą tych urządzeń jest zapewnienie bardzo dokładnej, ciągłej oceny stanu zdrowia pacjenta, a następnie podejmowanie decyzji klinicznych w klinikach lub gdy pacjenci są przyjmowani do szpitala lub podłączani do respiratorów" - powiedział dr Ankit Bharat, chirurg klatki piersiowej w Northwestern Medicine, który prowadził badania kliniczne u dorosłych pacjentów. "Kluczową zaletą tego urządzenia jest możliwość jednoczesnego słuchania i porównywania różnych obszarów płuc. Mówiąc najprościej, to tak, jakby do 13 wysoko wykwalifikowanych lekarzy jednocześnie słuchało różnych obszarów płuc za pomocą stetoskopów, a ich umysły są zsynchronizowane, aby stworzyć ciągłą i dynamiczną ocenę stanu zdrowia płuc, która jest przekładana na film na ekranie komputera "

Rogers jest profesorem nauk materiałowych i inżynierii, inżynierii biomedycznej i chirurgii neurologicznej Louisa Simpsona i Kimberly Querrey w Northwestern's McCormick School of Engineering i Northwestern University Feinberg School of Medicine. Kieruje również Instytutem Bioelektroniki Querrey Simpson. Bharat jest szefem chirurgii klatki piersiowej i profesorem chirurgii Harolda L. i Margaret N. Method w Feinberg. Jako dyrektor Northwestern Medicine Canning Thoracic Institute, Bharat przeprowadził pierwsze podwójne przeszczepy płuc u pacjentów z COVID-19 w USA i rozpoczął pierwszy w swoim rodzaju program przeszczepów płuc dla niektórych pacjentów z rakiem płuc w stadium 4.

Kompleksowa, nieinwazyjna sieć czujników

Zawierające pary wysokowydajnych, cyfrowych mikrofonów i akcelerometrów, małe, lekkie urządzenia delikatnie przylegają do skóry, tworząc kompleksową, nieinwazyjną sieć czujników. Poprzez jednoczesne przechwytywanie dźwięków i korelowanie ich z procesami zachodzącymi w organizmie, urządzenia te mapują przestrzennie przepływ powietrza do, przez i z płuc, a także zmiany rytmu serca w różnych stanach spoczynku i aktywności oraz przemieszczanie się pokarmu, gazów i płynów przez jelita.

Zamknięte w miękkim silikonie, każde urządzenie mierzy 40 milimetrów długości, 20 milimetrów szerokości i 8 milimetrów grubości. Na tej niewielkiej powierzchni urządzenie zawiera pamięć flash, niewielką baterię, komponenty elektroniczne, funkcje Bluetooth i dwa małe mikrofony - jeden skierowany do wewnątrz w kierunku ciała, a drugi skierowany na zewnątrz w kierunku zewnętrznym. Rejestrując dźwięki w obu kierunkach, algorytm może oddzielić dźwięki zewnętrzne (otoczenia lub sąsiednich organów) od wewnętrznych dźwięków ciała.

"Płuca nie wytwarzają wystarczającej ilości dźwięków, aby normalna osoba mogła je usłyszeć" - powiedział Bharat. "Po prostu nie są wystarczająco głośne, a szpitale mogą być hałaśliwymi miejscami. Kiedy w pobliżu rozmawiają ludzie lub słychać dźwięki maszyn, może to być niezwykle trudne. Ważnym aspektem naszej technologii jest to, że może ona korygować te dźwięki otoczenia"

Przechwytywanie dźwięków otoczenia nie tylko umożliwia redukcję szumów, ale także zapewnia kontekstowe informacje o otaczającym środowisku pacjentów, co jest szczególnie ważne w przypadku leczenia wcześniaków.

"Niezależnie od lokalizacji urządzenia, ciągłe nagrywanie środowiska dźwiękowego zapewnia obiektywne dane na temat poziomu hałasu, na jaki narażone są dzieci" - powiedział dr Wissam Shalish, neonatolog ze Szpitala Dziecięcego w Montrealu i współautor artykułu. "Daje to również natychmiastowe możliwości zajęcia się wszelkimi źródłami stresujących lub potencjalnie szkodliwych bodźców słuchowych"

Dyskretne monitorowanie oddechu niemowląt

Opracowując nowe urządzenia, naukowcy mieli na uwadze dwie wrażliwe społeczności: wcześniaki na oddziale intensywnej terapii noworodków (NICU) i dorosłych po operacji. W trzecim trymestrze ciąży układ oddechowy dziecka dojrzewa, dzięki czemu może ono oddychać poza łonem matki. Dzieci urodzone przed trzecim trymestrem ciąży lub w jego najwcześniejszym stadium są zatem bardziej narażone na problemy z płucami i powikłania związane z zaburzeniami oddychania.

Szczególnie powszechne u wcześniaków, bezdechy są główną przyczyną przedłużającej się hospitalizacji i potencjalnie śmierci. Kiedy występują bezdechy, niemowlęta albo nie biorą oddechu (z powodu niedojrzałych ośrodków oddechowych w mózgu), albo mają niedrożność dróg oddechowych, która ogranicza przepływ powietrza. U niektórych dzieci może nawet wystąpić kombinacja tych dwóch zjawisk. Jednak obecnie nie ma metod ciągłego monitorowania przepływu powietrza przy łóżku pacjenta i dokładnego rozróżniania podtypów bezdechu, szczególnie u tych najbardziej wrażliwych niemowląt na klinicznym oddziale intensywnej terapii noworodków.

"Wiele z tych dzieci jest mniejszych niż stetoskop, więc ich monitorowanie jest już technicznym wyzwaniem" - powiedziała dr Debra E. Weese-Mayer, współautorka badania, szefowa medycyny autonomicznej w Ann & Robert H. Lurie Children's Hospital of Chicago oraz profesor medycyny autonomicznej Beatrice Cummings Mayer w Feinberg. "Piękno tych nowych urządzeń akustycznych polega na tym, że mogą one nieinwazyjnie monitorować dziecko w sposób ciągły - podczas czuwania i snu - bez przeszkadzania mu. Te akustyczne urządzenia do noszenia dają możliwość bezpiecznego i dyskretnego określenia "podpisu" każdego niemowlęcia związanego z jego ruchem powietrza (do i z dróg oddechowych i płuc), dźwiękami serca i motoryką jelit w dzień iw nocy, ze zwróceniem uwagi na rytm okołodobowy. Urządzenia te jednocześnie monitorują hałas otoczenia, który może wpływać na wewnętrzną "sygnaturę" akustyczną i/lub wprowadzać inne bodźce, które mogą wpływać na zdrowy wzrost i rozwój"

W badaniach przeprowadzonych we współpracy w Szpitalu Dziecięcym w Montrealu w Kanadzie, pracownicy służby zdrowia umieścili urządzenia akustyczne na niemowlętach tuż poniżej wcięcia nadmostkowego u podstawy gardła. Urządzenia z powodzeniem wykrywały obecność przepływu powietrza i ruchy klatki piersiowej oraz mogły oszacować stopień niedrożności przepływu powietrza z dużą wiarygodnością, umożliwiając w ten sposób identyfikację i klasyfikację wszystkich podtypów bezdechu.

"Po umieszczeniu na wcięciu nadmostkowym, zwiększona zdolność do wykrywania i klasyfikowania bezdechów może prowadzić do bardziej ukierunkowanej i spersonalizowanej opieki, poprawy wyników oraz skrócenia czasu hospitalizacji i kosztów" - powiedział Shalish. "Po umieszczeniu na prawej i lewej stronie klatki piersiowej krytycznie chorych niemowląt, informacje zwrotne przekazywane w czasie rzeczywistym za każdym razem, gdy wlot powietrza jest zmniejszony po jednej stronie w stosunku do drugiej, mogą natychmiast ostrzec klinicystów o możliwej patologii wymagającej natychmiastowej interwencji"

Śledzenie trawienia u niemowląt

U dzieci i niemowląt, problemy sercowo-oddechowe i żołądkowo-jelitowe są głównymi przyczynami śmierci w ciągu pierwszych pięciu lat życia. W szczególności problemom żołądkowo-jelitowym towarzyszą zmniejszone dźwięki jelit, które można wykorzystać jako wczesny znak ostrzegawczy problemów z trawieniem, dysmotywności jelit i potencjalnych niedrożności. Tak więc, w ramach badania pilotażowego na OIOM-ie, naukowcy wykorzystali urządzenia do monitorowania tych dźwięków.

W badaniu wcześniaki nosiły czujniki w czterech miejscach na brzuchu. Wczesne wyniki były zgodne z pomiarami ruchliwości jelit u dorosłych przy użyciu systemów przewodowych, co jest obecnym standardem opieki.

"Po umieszczeniu na brzuchu, automatyczne wykrywanie zmniejszonych dźwięków jelit może ostrzec lekarza o zbliżających się (czasami zagrażających życiu) powikłaniach żołądkowo-jelitowych" - powiedział Shalish. "Podczas gdy poprawione dźwięki jelit mogą wskazywać na oznaki regeneracji jelit, szczególnie po operacji żołądkowo-jelitowej"

"Ruchliwość jelit ma swoje własne wzorce akustyczne i właściwości tonalne" - powiedział Weese-Mayer. "Po scharakteryzowaniu "sygnatury" akustycznej danego pacjenta, odchylenia od tej spersonalizowanej sygnatury mogą potencjalnie ostrzegać osobę i zespół opieki zdrowotnej o zbliżającym się złym stanie zdrowia, podczas gdy wciąż jest czas na interwencję w celu przywrócenia zdrowia"

Oprócz oferowania ciągłego monitorowania, urządzenia te uwolniły również noworodki na OIOM-ie od różnorodnych czujników, przewodów i kabli podłączonych do monitorów przyłóżkowych.

Mapowanie pojedynczego oddechu

Towarzysząc badaniu NICU, naukowcy przetestowali urządzenia na dorosłych pacjentach, w tym 35 dorosłych z przewlekłymi chorobami płuc i 20 zdrowych osób kontrolnych. U wszystkich badanych urządzenia rejestrowały rozkład dźwięków płuc i ruchów ciała w różnych miejscach jednocześnie, umożliwiając naukowcom analizę pojedynczego oddechu w różnych regionach płuc.

"Jako lekarze często nie rozumiemy, jak funkcjonuje określony obszar płuc" - powiedział Bharat. "Dzięki tym bezprzewodowym czujnikom możemy uchwycić różne regiony płuc i ocenić ich specyficzną wydajność oraz wydajność każdego regionu względem siebie"

Według Centers for Disease Control and Prevention, w 2020 r. choroby układu krążenia i układu oddechowego pochłonęły prawie 800 000 istnień ludzkich w Stanach Zjednoczonych, co czyni je pierwszą i trzecią najczęstszą przyczyną zgonów u dorosłych. Mając na celu pomoc w podejmowaniu decyzji klinicznych i poprawę wyników, naukowcy mają nadzieję, że ich nowe urządzenia mogą zmniejszyć te liczby i uratować życie.

"Płuca mogą wydawać różnego rodzaju dźwięki, w tym trzaski, świszczący oddech, falowanie i wycie" - powiedział Bharat. "To fascynujące mikrośrodowisko. Dzięki ciągłemu monitorowaniu tych dźwięków w czasie rzeczywistym możemy określić, czy stan zdrowia płuc poprawia się, czy pogarsza i ocenić, jak dobrze pacjent reaguje na określone leki lub leczenie. Następnie możemy spersonalizować leczenie dla poszczególnych pacjentów" Badanie "Bezprzewodowe szerokopasmowe czujniki akustyczno-mechaniczne jako sieci obszaru ciała do ciągłego monitorowania fizjologicznego" było wspierane przez Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics na Northwestern University. Współautorami artykułu są Jae-Young Yoo z Northwestern, Seyong Oh z Hanyang University w Korei i Wissam Shalish z McGill University Health Centre.