Onderzoekers van de Northwestern University introduceren draadloze, draagbare stethoscoop voor continue bewaking van vitale functies

Eerste wearables in hun soort vangen lichaamsgeluiden op om de gezondheid continu te controleren
Nieuwe apparaten werden getest op een reeks patiënten, van premature baby's tot ouderen

Verschijningsdatum: 16 november 2023

Mediacontacten
Kristin Samuelson (847) 491-4888
Kristin Amanda Morris (847) 467-6790

Van hartslagen tot maaggeborrel, geluiden bevatten belangrijke gezondheidsinformatie
Nieuwe draadloze apparaten zitten op de huid om continu geluiden op te vangen en vervolgens gegevens in realtime naar smartphones of tablets te streamen
Apparaten scheiden geluiden binnen het lichaam van omgevingsgeluiden buiten het lichaam
In pilotstudies volgden apparaten nauwkeurig geluiden die geassocieerd worden met cardiorespiratoire functie, gastro-intestinale activiteit, slikken en ademhaling
Apparaten zijn vooral waardevol voor premature baby's, die apneus en gastro-intestinale complicaties kunnen ervaren, die gepaard gaan met geluiden

EVANSTON, Ill. - Tijdens zelfs de meest routinematige bezoeken luisteren artsen naar geluiden in het lichaam van hun patiënten - lucht die in en uit de longen stroomt, hartslagen en zelfs verteerd voedsel dat door het lange maagdarmkanaal gaat. Deze geluiden geven waardevolle informatie over iemands gezondheid. En als deze geluiden subtiel veranderen of zelfs helemaal stoppen, kan dit wijzen op een ernstig probleem dat tijdige interventie rechtvaardigt.

Onderzoekers van de Northwestern University introduceren nu nieuwe zachte, geminiaturiseerde draagbare apparaten die veel verder gaan dan episodische metingen tijdens incidentele doktersonderzoeken. De apparaten worden zacht op de huid geplakt en volgen deze subtiele geluiden continu gelijktijdig en draadloos op meerdere locaties in bijna elk deel van het lichaam.

Het nieuwe onderzoek is vandaag (16 nov.) gepubliceerd in het tijdschrift Nature Medicine.

In pilotstudies testten onderzoekers de apparaten op 15 premature baby's met ademhalings- en darmbewegingsstoornissen en 55 volwassenen, waaronder 20 met chronische longziekten. Niet alleen presteerden de apparaten met klinische nauwkeurigheid, ze boden ook nieuwe functionaliteiten die nog niet eerder ontwikkeld of geïntroduceerd waren in onderzoek of klinische zorg.

"Momenteel zijn er geen bestaande methodes voor het continu monitoren en ruimtelijk in kaart brengen van lichaamsgeluiden thuis of in een ziekenhuisomgeving," zei John A. Rogers van Northwestern, een pionier op het gebied van bio-elektronica die de ontwikkeling van het apparaat leidde. "Artsen moeten een conventionele of digitale stethoscoop op verschillende delen van de borstkas en rug leggen om puntsgewijs naar de longen te luisteren. In nauwe samenwerking met onze klinische teams wilden we een nieuwe strategie ontwikkelen om patiënten continu in realtime te monitoren, zonder hindernissen die gepaard gaan met starre, bedrade, omvangrijke technologie."

"Het idee achter deze apparaten is om een zeer nauwkeurige, continue evaluatie van de gezondheid van de patiënt te bieden en vervolgens klinische beslissingen te nemen in de klinieken of wanneer patiënten in het ziekenhuis worden opgenomen of aan de beademing worden gelegd," zei Dr. Ankit Bharat, een thoraxchirurg bij Northwestern Medicine, die het klinische onderzoek bij de volwassen proefpersonen leidde. "Een belangrijk voordeel van dit apparaat is dat het in staat is om tegelijkertijd naar verschillende regio's van de longen te luisteren en deze te vergelijken. Simpel gezegd is het alsof 13 hoogopgeleide artsen tegelijkertijd met hun stethoscopen naar verschillende regio's van de longen luisteren, en hun gedachten worden gesynchroniseerd om een continue en dynamische beoordeling van de longgezondheid te maken die vertaald wordt in een film op een levensecht computerscherm."

Rogers is de Louis Simpson en Kimberly Querrey Professor in Materiaalwetenschappen en Technologie, Biomedische Technologie en Neurologische Chirurgie aan de Northwestern McCormick School of Engineering en de Northwestern University Feinberg School of Medicine. Hij leidt ook het Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Bharat is het hoofd van de thoraxchirurgie en de Harold L. en Margaret N. Method Professor in Chirurgie aan de Feinberg. Als directeur van het Northwestern Medicine Canning Thoracic Institute voerde Bharat de eerste dubbele longtransplantaties uit op COVID-19 patiënten in de VS en startte hij een uniek longtransplantatieprogramma voor bepaalde patiënten met stadium 4 longkanker.

Uitgebreid, niet-invasief sensornetwerk

De kleine, lichtgewicht apparaten bevatten paren hoogwaardige, digitale microfoons en versnellingsmeters en hechten zich zachtjes aan de huid om een uitgebreid, niet-invasief sensornetwerk te creëren. Door tegelijkertijd geluiden op te vangen en deze geluiden te correleren aan lichaamsprocessen, brengen de apparaten ruimtelijk in kaart hoe lucht in, door en uit de longen stroomt, hoe het hartritme verandert in verschillende rust- en actieve toestanden, en hoe voedsel, gas en vloeistoffen door de darmen bewegen.

Ingekapseld in zachte siliconen is elk apparaat 40 millimeter lang, 20 millimeter breed en 8 millimeter dik. Binnen dat kleine oppervlak bevat het apparaatje een flashgeheugenstation, een kleine batterij, elektronische onderdelen, Bluetooth-mogelijkheden en twee kleine microfoons - één naar binnen gericht naar het lichaam en één naar buiten gericht naar de buitenkant. Door geluiden in beide richtingen op te vangen, kan een algoritme externe geluiden (omgevingsgeluiden of geluiden van naburige organen) scheiden van interne lichaamsgeluiden.

"Longen produceren niet genoeg geluid voor een normaal persoon om te horen," zei Bharat. "Ze zijn gewoon niet luid genoeg, en ziekenhuizen kunnen luidruchtige plaatsen zijn. Als er mensen in de buurt praten of machines piepen, kan het ongelooflijk moeilijk zijn. Een belangrijk aspect van onze technologie is dat het die omgevingsgeluiden kan corrigeren."

Het opvangen van omgevingsgeluiden maakt niet alleen ruisonderdrukking mogelijk, maar geeft ook contextuele informatie over de omgeving van de patiënt, wat vooral belangrijk is bij de behandeling van premature baby's.

"Ongeacht de locatie van het apparaat, biedt de continue registratie van de geluidsomgeving objectieve gegevens over de geluidsniveaus waaraan baby's worden blootgesteld," aldus Dr. Wissam Shalish, neonatoloog in het Montreal Children's Hospital en mede-eerste auteur van het artikel. "Het biedt ook onmiddellijke mogelijkheden om bronnen van stressvolle of mogelijk schadelijke auditieve stimuli aan te pakken."

Niet opdringerig de ademhaling van baby's controleren

Bij het ontwikkelen van de nieuwe apparaten hadden de onderzoekers twee kwetsbare groepen in gedachten: premature baby's in de neonatale intensive care unit (NICU) en volwassenen na een operatie. In het derde trimester tijdens de zwangerschap rijpt het ademhalingssysteem van baby's zodat ze buiten de baarmoeder kunnen ademen. Baby's die vóór of in de vroegste stadia van het derde trimester geboren worden, lopen daarom meer kans op longproblemen en ademhalingsstoornissen.

Apneus komen vooral voor bij premature baby's en zijn een belangrijke oorzaak van langdurige ziekenhuisopname en mogelijk overlijden. Wanneer apneu's optreden, halen baby's ofwel geen adem (door onvolgroeide ademhalingscentra in de hersenen) of hebben ze een obstructie in hun luchtwegen die de luchtstroom beperkt. Sommige baby's hebben zelfs een combinatie van deze twee. Toch zijn er momenteel geen methoden om de luchtstroom aan het bed continu te controleren en apneusubtypes nauwkeurig te onderscheiden, vooral bij deze meest kwetsbare baby's in de klinische NICU.

"Veel van deze baby's zijn kleiner dan een stethoscoop, dus technisch gezien is het al een hele uitdaging om ze te monitoren," zegt Dr. Debra E. Weese-Mayer, medeauteur van het onderzoek, hoofd autonome geneeskunde in het Ann & Robert H. Lurie Children's Hospital of Chicago en hoogleraar autonome geneeskunde aan het Feinberg ziekenhuis Beatrice Cummings Mayer. "Het mooie van deze nieuwe akoestische apparaten is dat ze een baby continu op niet-invasieve wijze kunnen monitoren - tijdens waken en slapen - zonder hem of haar te storen. Deze akoestische wearables bieden de mogelijkheid om veilig en onopvallend de 'handtekening' van elk kind te bepalen met betrekking tot hun luchtbeweging (in en uit de luchtwegen en longen), hartgeluiden en darmmotiliteit overdag en 's nachts, met aandacht voor circadiane ritmiek. En deze wearables monitoren tegelijkertijd omgevingsgeluiden die de interne akoestische 'handtekening' kunnen beïnvloeden en/of andere stimuli introduceren die een gezonde groei en ontwikkeling kunnen beïnvloeden."

In gezamenlijke studies in het Montreal Children's Hospital in Canada plaatsten gezondheidswerkers de akoestische apparaten bij baby's net onder de suprasternale inkeping aan de basis van de keel. De apparaten detecteerden met succes de aanwezigheid van luchtstroom en borstbewegingen en konden de mate van luchtstroomobstructie met hoge betrouwbaarheid schatten, waardoor alle apneusubtypes geïdentificeerd en geclassificeerd konden worden.

"Wanneer de apparaten op de suprasternale inkeping worden geplaatst, kan het verbeterde vermogen om apneus te detecteren en te classificeren leiden tot meer gerichte en gepersonaliseerde zorg, betere resultaten en een kortere ziekenhuisopname en lagere kosten," aldus Shalish. "Als het op de rechter- en linkerborst van ernstig zieke baby's wordt geplaatst, kan de realtime feedback die wordt uitgezonden wanneer de luchtinlaat aan de ene kant minder is dan aan de andere kant, clinici onmiddellijk waarschuwen voor een mogelijke pathologie die onmiddellijk ingrijpen vereist."

Spijsvertering bij zuigelingen volgen

Bij kinderen en zuigelingen zijn cardiorespiratoire en gastro-intestinale problemen belangrijke doodsoorzaken tijdens de eerste vijf levensjaren. Met name gastro-intestinale problemen gaan gepaard met verminderde darmgeluiden, die gebruikt kunnen worden als een vroeg waarschuwingssignaal voor verteringsproblemen, dysmotiliteit van de darmen en mogelijke obstructies. Als onderdeel van de pilotstudie op de NICU gebruikten de onderzoekers de apparaten om deze geluiden te controleren.

In het onderzoek droegen premature baby's sensoren op vier plaatsen in hun buik. De eerste resultaten kwamen overeen met metingen van de darmmotiliteit bij volwassenen met behulp van op draden gebaseerde systemen, wat de huidige standaard in de zorg is.

"Wanneer de sensoren op de buik worden geplaatst, kan de automatische detectie van verminderde darmgeluiden de arts waarschuwen voor een dreigende (soms levensbedreigende) gastro-intestinale complicatie," zei Shalish. "Terwijl verbeterde darmgeluiden zouden kunnen wijzen op tekenen van darmherstel, vooral na een gastro-intestinale operatie."

"Darmmotiliteit heeft zijn eigen akoestische patronen en tonale kwaliteiten," zei Weese-Mayer. "Zodra de akoestische 'handtekening' van een individuele patiënt gekarakteriseerd is, kunnen afwijkingen van die gepersonaliseerde handtekening de persoon en het gezondheidsteam waarschuwen voor een dreigende slechte gezondheid, terwijl er nog tijd is om in te grijpen om de gezondheid te herstellen."

De apparaten bieden niet alleen continue bewaking, maar bevrijden de NICU-baby's ook van de verscheidenheid aan sensoren, draden en kabels die op de bedmonitoren zijn aangesloten.

Een enkele ademhaling in kaart brengen

Naast het onderzoek in de NICU testten onderzoekers de apparaten op volwassen patiënten, waaronder 35 volwassenen met chronische longziekten en 20 gezonde controles. Bij alle proefpersonen registreerden de apparaten tegelijkertijd de verdeling van longgeluiden en lichaamsbewegingen op verschillende locaties, waardoor onderzoekers een enkele ademhaling konden analyseren in een aantal gebieden in de longen.

"Als artsen begrijpen we vaak niet hoe een specifieke regio van de longen functioneert," zei Bharat. "Met deze draadloze sensoren kunnen we verschillende regio's van de longen vastleggen en hun specifieke prestaties en de prestaties van elke regio ten opzichte van elkaar beoordelen."

In 2020 eisten hart- en vaatziekten en ziekten van de luchtwegen bijna 800.000 levens in de VS, waardoor ze volgens de Centers for Disease Control and Prevention de eerste en derde doodsoorzaak bij volwassenen zijn. Met het doel om klinische beslissingen te helpen sturen en de resultaten te verbeteren, hopen de onderzoekers dat hun nieuwe apparaten deze aantallen kunnen verlagen om levens te redden.

"Longen kunnen allerlei geluiden maken, zoals kraken, piepen, golven en huilen," zei Bharat. "Het is een fascinerende micro-omgeving. Door deze geluiden continu in realtime te monitoren, kunnen we bepalen of de longgezondheid beter of slechter wordt en evalueren hoe goed een patiënt reageert op een bepaalde medicatie of behandeling. Vervolgens kunnen we behandelingen personaliseren voor individuele patiënten." Het onderzoek, "Draadloze breedband akoestisch-mechanische sensoren als body area netwerken voor continue fysiologische monitoring," werd ondersteund door het Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics aan de Northwestern University. De eerste auteurs van het artikel zijn Jae-Young Yoo van Northwestern, Seyong Oh van de Hanyang University in Korea en Wissam Shalish van het McGill University Health Centre.