Wearables 02.08.2019, 07:00 Uhr

Medizinische Langzeit-Überwachung mit formbarer Elektronik

Patienten mit kritischem Gesundheitszustand oder mit chronischen Erkrankungen werden von Ärzten engmaschig überwacht. Mit flexibler Elektronik gelingt das präziser und angenehmer, wie US-Forscher berichten.

Flexibler Sensor

Sensor mit flexibler, dehnbarer Elektronik zur Langzeiterfassung von Vitalparametern.

Foto: John Toon, Georgia Tech

Für Ärzte gibt es viele Gründe, Patienten zu verkabeln und Vitalparameter zu überwachen. Dazu zählen beispielsweise Babys mit dem Risiko auf plötzlichen Kindstod, aber auch Patienten mit Herz-Kreislauf- und Lungenerkrankungen sowie Infektionen. Das bekannte Prinzip, Sensoren festzukleben, hat mehrere Nachteile.

„Wenn Sie eine herkömmliche Elektrode auf der Brust befestigen, entstehen durch die Bewegung beim Sitzen oder Gehen Artefakte, die sich nur schwer von den zu messenden Signalen trennen lassen“, sagt Woon-Hong Yeo vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Artefakte sind künstlich herbeigeführte Veränderungen, beispielsweise Fehler in der Datenerhebung, -auswertung oder -interpretation.  Außerdem komme es häufig zu Hautverletzungen oder zu allergischen Reaktionen durch Klebstoffe. Zusammen mit Kollegen entwickelte Yeo deshalb einen drahtlosen, verformbaren Sensor, der mit einer dehnbaren Elektronik ausgestattet ist.

Dünner Kunststofffilm mit Elektroden

Ihr neues Tool: ein Weichelastomer. Das ist ein flexibler Film aus hautfreundlichem Kunststoff. Er passt sich nahezu jeder Körperform und jeder Bewegung an. In seinem Inneren sind Goldelektroden und Geräte zur digitalen Verarbeitung der Signale eingebettet.

Der Prototyp hat einen Durchmesser von 7,5 Zentimetern. Eine neue Version, die sich noch in der Entwicklung befindet, soll laut Yeo halb so groß sein. Momentan wird die Messeinheit von einem kleinen Akku gespeist. Später könnte auch ein Hochfrequenz-Ladesystem zum Einsatz kommen. Aktuell werden Daten zur Herzfunktion, zur Atemfrequenz und zur körperlichen Aktivität erfasst und drahtlos an das externe Aufzeichnungsgerät geschickt. Ein Smartphone eignet sich ebenso für diese Aufgabe wie ein Tablet-Computer inklusive App . Zwischen Sender und Empfänger können bis zu 15 Meter liegen, was Patienten ein großes Maß an Bewegungsfreiheit garantiert.

Vorteile im ärztlichen Alltag

„Die Geräte sind vollständig trocken und benötigen kein Gel, um Signale von der Haut abzugreifen“, erklärt Yeo. „Zwischen der Haut und dem ultradünnen Sensor befindet sich nichts, daher ist das Tool angenehm zu tragen.“

Erste Tests mit Tieren und mit freiwilligen Probanden verliefen erfolgreich. Das Material wird gut vertragen. Außerdem kam es bei Bewegungen nicht – wie bei den üblichen dünnen Elektroden – zu Messartefakten. Der Sensor lieferte bei einem Test auch akkurate Daten, falls sich Probanden rasch auf einer Treppe bewegten. Das ist nicht nur für eine kontinuierliche Datenerfassung wichtig. Vielmehr zeigen die Entwickler, dass sich Bewegungsprofile erkennen lassen: ein wichtiger Parameter bei Patienten, die sich etwa aufgrund von Stoffwechselerkrankungen regelmäßig bewegen sollten. „Der Sensor kann mehrere Tage getragen werden, vielleicht sogar zwei Wochen“, so Yeo. Seine Membran ist wasserdicht und übersteht problemlos das tägliche Duschen. Dies ermögliche eine komfortable Langzeitüberwachung des Gesundheitszustands von Erwachsenen oder Kindern, sagt der Entwickler.

Bessere Diagnostik mit künstlicher Intelligenz  

Perspektivisch leistet der intelligente Fühler aber noch mehr. Zum Hintergrund: In den letzten Jahren haben mehrere Arbeitsgruppen gezeigt, dass Patienten von einer dauerhaften Erfassung ihrer Vitalparameter profitieren. Die Studien wurden alle auf Intensivstationen mit klassischer Verkabelung durchgeführt. Ein Hochleistungscomputer erfasste alle Messwerte und erkannte dank künstlicher Intelligenz (KI) gefährliche Entwicklungen, weit bevor Ärzten etwas auffiel. Beispielsweise fand das System mehrere Stunden früher Hinweise auf eine schwere Infektion (eine Sepsis) oder auf schwerwiegende Herzrhythmusstörungen, verglichen mit der konventionellen Überwachung.

Yeo und seine Kollegen übertragen das Prinzip aus dem stationären Bereich in den ambulanten Sektor. Sie stellen sich vor, dass ein Kinderarzt kleine Risikopatienten mit dem neuen Sensor ausstattet. Der Mediziner arbeitet mit kontinuierlichen Daten zum Herz-Kreislauf-System oder zur Atemfrequenz und mit einem Programm aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Er kann früher als bisher erkennen, ob seine Behandlung anspricht oder ob er beispielsweise doch ein anderes Antibiotikum verordnen muss. Aber selbst in der klinischen Umgebung macht der neue Messfühler Patienten mobiler, ohne dass wichtige Daten verloren gehen.

Hohe Hürden bei der Zulassung als Medizinprodukt

Jetzt sollen weitere Tests folgen. Bis zur kommerziellen Anwendung wird aber noch viel Zeit vergehen, was keine technischen Gründe hat. In den USA ist die Food and Drug Administration (FDA) für die Marktzulassung von medizintechnischen Produkten zuständig. Kommt sie zum Ergebnis, die neuen Hilfsmittel als Hochrisiko-Medizinprodukt einzustufen, muss der Hersteller Sicherheit und Funktion anhand klinischer Studien nachweisen. Mit Risikoklassifikationen arbeitet auch die European Medicines Agency (EMA) als zuständige Behörde für Europa.

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