Blød, bærbar sundhedsmonitor bruger strækbar elektronik

En trådløs, bærbar skærm bygget med strækbar elektronik kunne give behagelige, langsigtet sundhedsovervågning af voksne, babyer og små børn uden bekymring for hudskader eller allergiske reaktioner forårsaget af konventionelle selvklæbende sensorer med ledende geler.

Den bløde og tilpassede monitor kan udsende elektrokardiogram (EKG), hjerterytme, respirationsfrekvens og bevægelsesaktivitetsdata så meget som 15 meter til en bærbar optageenhed såsom en smartphone eller tablet. Elektronikken er monteret på et strækbart underlag og forbundet med guld, hudlignende elektroder gennem trykte stik, der kan strække sig med den medicinske film, de er indlejret i.

"Denne sundhedsmonitor har en vigtig fordel for små børn, der altid er i bevægelse, da den bløde konforme enhed kan rumme denne aktivitet med en blid integration på huden, " sagde Woon-Hong Yeo, en assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering og Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Dette er designet til at imødekomme de elektroniske sundhedsovervågningsbehov hos mennesker, hvis følsomme hud kan blive skadet af konventionelle monitorer."

Detaljer om monitoren blev rapporteret den 24. juli i tidsskriftet Avanceret Videnskab . Forskningen blev støttet af Imlay Innovation Fund ved Children's Healthcare i Atlanta, NextFlex (Flexible Hybrid Electronics Manufacturing Institute), og af en frøbevilling fra Institute for Electronics and Nanotechnology ved Georgia Tech. Monitoren er blevet undersøgt på både dyremodeller og mennesker.

Fordi enheden tilpasser sig huden, det undgår signalproblemer, der kan skabes af bevægelsen af ​​de typiske metal-gelelektroder hen over huden. Enheden kan endda få nøjagtige signaler fra en person, der går, løbe eller gå op ad trapper.

"Når du sætter en konventionel elektrode på brystet, bevægelse fra at sidde op eller gå skaber bevægelsesartefakter, der er udfordrende at adskille fra de signaler, du vil måle, " sagde han. "Fordi vores enhed er blød og konform, den bevæger sig med huden og giver information, der ikke kan ses med bevægelsesartefakter fra konventionelle sensorer."

Kontinuerlig evaluering med en trådløs sundhedsmonitor kan forbedre vurderingen af ​​børn og hjælpe klinikere med at identificere tendenser tidligere, potentielt lette intervention, før en tilstand skrider frem, sagde Dr. Kevin Maher, en pædiatrisk kardiolog ved Children's Healthcare i Atlanta.

"Genereringen af ​​kontinuerlige data fra de respiratoriske og kardiovaskulære systemer kunne give mulighed for anvendelse af avanceret diagnostik til at opdage ændringer i klinisk status, respons på terapier og implementering af tidlig intervention, " sagde Maher. "En enhed til bogstaveligt talt at følge hvert åndedrag, et barn tager, kunne give mulighed for tidlig genkendelse og intervention forud for en mere alvorlig præsentation af en sygdom."

Brugt i hjemmet, en bærbar skærm kan registrere ændringer, der ellers ikke ville være synlige, han sagde. I kliniske omgivelser, den trådløse enhed kunne give børn mulighed for at føle sig mindre "bundet" til udstyr. "Jeg ser denne enhed som en væsentlig ændring i pædiatrisk sundhedspleje og er spændt på at samarbejde med Georgia Tech om projektet, " tilføjede Maher.

Monitoren bruger tre guldelektroder indlejret i filmen, der også indeholder det elektroniske behandlingsudstyr. Hele sundhedsmonitoren er kun tre tommer i diameter, og en mere avanceret version under udvikling vil være halvt så stor. Den trådløse skærm er nu drevet af et lille genopladeligt batteri, men fremtidige versioner kan erstatte batteriet med et eksternt radiofrekvensopladningssystem.

Yeo og hans samarbejdspartnere, herunder førsteforfatter og postdoc-stipendiat Yun-Soung Kim, fokuserer på pædiatriske applikationer på grund af behovet for ambulant overvågning hos børn. Imidlertid, de forestiller sig, at sundhedsmonitoren også kan bruges til andre patientgrupper, herunder ældre voksne, som også kan have følsom hud. For voksne, der ville være yderligere fordele.

"Skærmen kan bæres i flere dage, måske så længe som to uger, " sagde Yeo. "Membranen er vandtæt, så en voksen kunne gå i bad, mens han havde den på. Efter brug, de elektroniske komponenter kan genbruges."

To versioner af skærmen er blevet udviklet. Den ene er baseret på medicinsk tape og designet til kortvarig brug på et hospital eller anden plejefacilitet, mens den anden bruger en blød elastomer medicinsk film godkendt til brug i sårpleje. Sidstnævnte kan forblive længere på huden.

"Enhederne er helt tørre og kræver ikke en gel for at opfange signaler fra huden, "Yeo forklarede. "Der er intet mellem huden og den ultratynde sensor, så den er behagelig at have på."

Fordi monitoren kan bæres i lange perioder, det kan give en langsigtet registrering af EKG-data, der er nyttige til at forstå potentielle hjerteproblemer. "Vi bruger dyb læring til at overvåge signalerne, mens vi sammenligner dem med data fra en større gruppe patienter, " sagde Yeo. "Hvis der opdages en abnormitet, det kan rapporteres trådløst via en smartphone eller anden tilsluttet enhed."

Fremstilling af monitorens kredsløb bruger tyndfilm, mesh-lignende mønstre af kobber, der kan bøje sig med det bløde underlag. Chipsene er den eneste del, der ikke er fleksibel, men de er monteret på det belastningsisolerede bløde underlag i stedet for et traditionelt plastikprintkort.

Som næste skridt, Yeo planlægger at reducere størrelsen af ​​enheden og tilføje funktioner til at måle andre sundhedsrelaterede parametre såsom temperatur, blod ilt og blodtryk. En vigtig milepæl ville være et klinisk forsøg for at evaluere ydeevnen i forhold til konventionelle sundhedsmonitorer.

For Yeo, som har specialiseret sig i nano- og mikroteknik, udsigten til at se enheden i kliniske forsøg – og i sidste ende bruges på børnehospitaler – er et stærkt incitament.

"Det vil være en drøm, der går i opfyldelse for mig at se noget, vi har udviklet, være nyttigt for en, der lider, " sagde han. "Vi ønsker alle at se udvikling inden for videnskab og teknik omsat til forbedret patientbehandling."