Omdefinerer bærbar teknologi

Vores kroppe er historiefortællere. Hvert hjerteslag, knirken i led og elektrisk signal fra en neuron fortæller en historie om, hvad der går rigtigt – og forkert – inden for det store, komplekst system, der giver os liv.

Selvom vi nu har den bærbare teknologi til at oversætte nogle af disse historier – tænk Fitbits eller sundhedssporere på vores smartphones – for bioelektronikpioneren John A. Rogers, Ph.D., og hans kolleger, disse enheder ridser kun overfladen af, hvad vi kan skelne fra kroppen i realtid.

Rogers, som kom til Northwestern i 2016, udvikler elektroniske enheder, der kan bøje, strække, vrides og integreres i den menneskelige krop for at både diagnosticere og behandle sygdom. Som Louis Simpson og Kimberly Querrey professor i materialevidenskab og teknik, Biomedicinsk teknik og neurologisk kirurgi, Rogers udfører arbejde, der går på tværs af discipliner for at omsætte innovativ forskning til reelle medicinske gennembrud.

For nylig, Rogers blev interesseret i at udvikle et bærbart plaster, der kunne optage akustik i kroppen, såsom lyde i et led eller vibrationer fra tale. "Vi spurgte os selv, om det ville være muligt at bygge en blød, trådløs, hud-interface enhed med formfaktoren af ​​et plaster og funktionerne af et stetoskop til kontinuerligt og præcist at måle kroppens subtile mekaniske og akustiske signaturer, " han siger.

Inden for kort tid, og gennem galvanisering af nordvestlige forbindelser, hvad Rogers kaldte en "udforskende øvelse i materialevidenskab og anvendt fysik" blev til et rigtigt diagnostisk og behandlingsværktøj til at måle en rehabiliterende slagtilfældepatients tale- og synkemønstre. Resultatet, den første bærbare enhed designet til halsen, er en "meget mere personlig, kvantitativ tilgang til rehabilitering, " siger Rogers.

Patchen er kun begyndelsen. Sammen med Arun Jayaraman, Ph.D., lektor i Fysisk Medicin og Rehabilitering og hans laboratorium i Shirley Ryan AbilityLab, Rogers har udviklet sensorer, der er installeret på tværs af kroppen for at give et omfattende overblik over patientens helbredelse.

Spor tale, med komfort

Halssensoren er kun én i en portefølje af innovationer udviklet i Northwesterns Center for Bio-Integrated Electronics. der, Rogers og hans samarbejdspartnere har udviklet materialer og designtilgange, der transformerer elektronik fra traditionelle stive siliciumkredsløb til bløde, overensstemmende, tynde enheder, der integreres med kroppen, mens de transmitterer realtidsinformation trådløst til både læger og maskinlæringsalgoritmer, der kan finde nye mønstre i data.

Rogers har også udviklet enheder, der kan bæres på kroppen for at måle svedhastighed og kemi eller for at kvantificere eksponering for sol-UV-stråling, samt enheder, der kan implanteres i kroppen for at høste energi fra organer og automatisk behandle unormale hjertesygdomme.

Nogle gange er en enhed udviklet til ét formål, kun for efterforskere at finde ud af, at den har en anden kapacitet. Rogers' gruppe udviklede oprindeligt den akustiske patch med ideen om, at den kunne være nyttig til en ny slags menneske-computer-grænseflade, men de drejede efter at være blevet kontaktet af Leora Cherney, Ph.D., professor i Fysisk Medicin og Rehabilitering og en forsker ved Shirley Ryan AbilityLab. Hun behandler patienter med afasi, tab af evnen til at tale eller forstå tale efter et slagtilfælde.

Hun spurgte, om Rogers' halsplaster måske kunne måle patienters samlede taletid og kadencen af ​​deres tale, give terapeuter en bedre måde at spore patienters genoptræning.

Det kunne, sagde Rogers. "Patten kan spore tale og talemønstre på en måde, der er fuldstændig immun over for omgivende støj, " siger han. Holdet indså hurtigt, at enheden også kunne måle synke. Dysfagi - synkebesvær - er en anden potentielt vanskelig handling, der påvirker apopleksipatienters livskvalitet.

"Da vi først forstod, at det var vigtigt at måle tale og synke, vi kunne gå tilbage og skræddersy enhederne specifikt til at måle disse processer, " siger han. Projektet involverede at designe en fleksibel patch med et batteri, radio og akustisk sensor, der kunne klæbe til den bløde del af halsen og, måske vigtigst, være behagelig for brugeren.

"Patten skulle konstrueres, så folk glemmer, at den er der, når de først har sat den på, " siger Rogers. "Vi bestræber os på ingeniør- og materialesiden for at gøre den fuldstændig hudlignende og fysisk umærkelig."

Da plasteret var optimeret til patienter med afasi og dysfagi, Rogers' gruppe søgte at udvide sin platform med en anden Shirley Ryan AbilityLab-efterforsker - en, der, ligesom Rogers, har en tværfaglig tilgang til at løse problemer.

Helkropsbillede af bedring

Arun Jayaramans plads i Shirley Ryan AbilityLab er billedet af translationel medicin. Max Näder Lab for rehabiliteringsteknologier og resultatforskning huser ikke kun snesevis af fysioterapeuter, ingeniører, dataloger, læger og socialpsykologer, det har også maskinværksteder til at bygge nye teknologier og plads til, at patienter kan teste dem.

Gruppen udvikler og optimerer næste generations teknologier til mennesker med handicap. I tilfælde af slagtilfælde, "Tidlige indgreb er afgørende for langsigtet bedring, " siger Jayaraman, der også er professor i medicinsk samfundsvidenskab og i fysioterapi og menneskelig bevægelsesvidenskab. Hans team arbejder på mere end 30 projekter ad gangen, inklusive proteser, robotteknologi og adaptive teknologier.

"Med hvert spørgsmål, du ønsker at anlægge en tværfaglig tilgang, " siger han. "Hver disciplin har en tankeproces om, hvad der kan fungere. Når du kombinerer dem, det er når du får det bedst mulige resultat."

Før han mødte Rogers, Jayaraman testede nye rehabiliterende teknologier – som et robotben, der forstår sin brugers hensigt og derefter bøjer og bevæger sig som et rigtigt ben – og sporede patienters reaktioner med kommercielle sensorer. Men sensorerne var optimeret til raske mennesker, så når en patient med begrænset gang eller en Parkinsons tremor brugte dem, sensorerne kunne ikke redegøre for de forskellige bevægelser, og de resulterende data var forkerte.

Rogers' innovative sensorer gjorde det muligt at detektere adfærd på nye steder på kroppen, som halsen, men Jayaraman spekulerede også på, om Rogers kunne levere en række sensorer til at give et helkropsbillede af en apopleksipatients bedring.

Med feedback fra Jayaraman, Rogers udvidede platformen til at omfatte hele kroppens bevægelseskinematik. Denne nye serie af sensorer kan placeres flere steder på kroppen for at måle hjertefunktion, søvnkvalitet, fysisk aktivitet og muskelsammentrækninger. Jayaraman kunne også implementere Rogers' svedplaster, som overvåger svedtab og analyserer svedkemi. Dette viser sig især nyttigt hos patienter med slagtilfælde, hvis svedhastighed kan variere fra venstre til højre side af kroppen.

Jayaramans team udvikler nu algoritmer til at oversætte data fra sensorerne og skaber en dashboard-grænseflade til læger og terapeuter for at se, hvordan patienters data kan sammenlignes med raske menneskers. I mellemtiden, hans patienter afprøver sensorerne derhjemme.

"De har ikke noget imod at have dem på, " siger han. "Når patienter er udskrevet, vi ønsker, at de kommer til et niveau, hvor de kan komme tilbage til deres liv, tilbage til arbejdet. Nu har vi muligheden for at overvåge dem for at sikre, at deres rehabilitering er på rette vej."

Fremtiden for langtidspleje

At arbejde med læge-videnskabsmænd på Shirley Ryan AbilityLab har været nøglen til at gøre design så brugbart som muligt, siger Rogers. "At være samlokaliseret og tæt koblet gør en enorm forskel."

Han håber at fortsætte med at forbedre sensorerne, mens han leder efter flere potentielle anvendelser.

"I sidste ende vil vi gerne tænke på vores forskning med Shirley Ryan AbilityLab som et springbræt til en bredere implementering, " siger Rogers. "Vi ønsker, at teknologien skal have udbredt, positive samfundsmæssige konsekvenser."

For eksempel, han forbinder med Northwestern Medicine talepatologer for at teste halsplastret med deres patienter og arbejder på en haptisk grænseflade, der minder folk om at sluge, flytte plasteret ud over diagnostik og ind i terapi.

Jayaraman, i mellemtiden, forestiller sig Rogers's sensorer som nøglen til fremtiden for langtidspleje, især for ældre, som kunne drage fordel af diskret fjernovervågning, der kunne give dem mulighed for at blive ved med at bo i deres eget hjem. Dette kunne være et stort marked, i betragtning af antallet af amerikanere på 65 år og derover forventes at fordobles til mere end 98 millioner i 2060.

"Hele verden bliver ældre, " siger Jayaraman. "Hvis vi er i stand til at overvåge de ældre derhjemme, det kunne skabe en ny plejemodel.