Der neueste Stand tragbarer Technologie und ein für COVID-19 entwickeltes Beispiel

Die sich weiterentwickelnde Technologie wird jeden Tag stärker in unser Leben integriert. Während neue Erfindungen hinzukommen, entwickeln sich auch die vorhandenen Technologien weiter. Einige der bemerkenswertesten Fortschritte finden zweifellos im Bereich der Biotechnologie statt. „Kontinuierliche“ und „umfassende“ Messungen von Gesundheitsparametern durch elektronische Sensoren in tragbarer Technologie sind das spannendste Ziel dieses Bereichs.

Was sind tragbare Produkte und Technologien?

Tragbare Produkte beziehungsweise tragbare Technologie bezeichnen eine Kategorie elektronischer Geräte, die als Zubehör getragen, in Kleidung eingebaut, in den Körper des Nutzers implantiert oder sogar auf die Haut tätowiert werden können.

Solche tragbaren Geräte und klinisch eingesetzten Materialien verwenden Messungen, die für Bewegungen der Hautoberfläche in einem breiten Frequenzbereich von nahezu null bis zu mehreren Tausend Hertz empfindlich sind.

Welche Körperdaten nutzt ein tragbares Produkt?

Daten werden nicht nur aus Körperbewegungen, sondern auch aus Körpergeräuschen gewonnen, dabei aber nicht durch Umgebungsgeräusche beeinflusst. Werden solche Geräte beispielsweise auf Brust oder Hals angebracht, erlauben die aufgezeichneten Daten detaillierte Analysen der Herzaktivität aus Herzbewegungen und Blutfluss in hautnahen Arterien, Luftströmungen in Lunge und Luftröhre, Atemgeräuschen sowie Bewegungen von Kehlkopf, Speiseröhre und Schluckvorgang. Manchmal können bei diesen Messungen jedoch Fehler auftreten. Beispielsweise lässt sich die Atemfrequenz beim Laufen nicht genau bestimmen.

Eines der neuesten Produkte tragbarer Gesundheitstechnologie

Science Advances veröffentlichte am 12. Mai eine Studie, in der ein neuer Entwurf tragbarer Technologie diese Grenzen durch fortgeschrittene Konzepte des Systemdesigns auf Hardwareebene und anatomisch optimierte Auswahl überwindet. Der Ansatz nutzt ein zeitlich synchronisiertes Paar von Beschleunigungssensoren mit hoher Bandbreite an gegenüberliegenden Enden eines hautnahen Geräts. Eine der IMUs (inertiale Messeinheiten) wird an der suprasternalen Kerbe (Jugulargrube am vorderen unteren Hals) und die andere am Manubrium sterni (Brustbeinhandgriff) platziert. Mit diesem Entwurf lassen sich Signale der Herz- und Atemtätigkeit und verwandter Vorgänge von Signalen durch Körperbewegungen trennen.

Aufbau und Eigenschaften

Zur Erleichterung der Sterilisation bei der Wiederverwendung des Systems und zur Isolierung der verwendeten Elektrolyte von der Außenumgebung wird eine vollständig durch eine elastomere Kapsel verschlossene Leiterplatte verwendet. Diese flexible Platte lässt sich leicht an jeder Körperstelle anbringen und drahtlos aufladen. Die mit diesem Gerät gewonnenen Daten können automatisch gespeichert werden.

Dieses tragbare Produkt besteht aus 3 Hauptkomponenten:

1. dem Gerät,
2. einer angepassten Anwendung als Benutzeroberfläche (einer auf einem Tablet verwendeten App) und
3. einer Cloud-Plattform für Datenspeicherung und Analytik.

Die Benutzeroberfläche kann zudem gleichzeitig mit 12 Geräten synchron arbeiten.

Abbildung 1:

1. Ansicht des am Hals angebrachten Geräts.
2. Offene Darstellung der Komponenten, Verbindungspläne und des Schutzaufbaus.
3. Das Gerät neben einer 25-Cent-Münze (der Durchmesser der 25-Cent-Münze beträgt 24,266mm).
4. Ansichten des Geräts beim Biegen und Dehnen.
5. Modellierungen der Bilder in D.
6. Funktionsmechanismus des Systems.

Anwendung bei sportlichen Aktivitäten

Beim Laufen, Schwimmen, Fitnesstraining und ähnlichen Aktivitäten führen sehr schnelle, dynamische und wechselnde Beschleunigungen zu Fehlern und Schwierigkeiten bei der Messung von Herzfrequenz (KH / HR) und Atemfrequenz (SH / RR). Die neue Plattform mit zwei Sensoren ermöglicht robustere Messungen bei zahlreichen Aktivitäten wie Radfahren oder Basketballspielen. Beim Schwimmen minimiert sie beispielsweise weitgehend die mit jedem Schwimmzug verbundenen Signale und kann dadurch die mit den Ein- und Ausatmungszyklen verbundenen Signale eindeutig berechnen.

Abbildung 2:

1. Ansicht des Geräts bei einer radfahrenden Person.
2. Vergleich von RR (Atemfrequenz pro Minute) und HR (Herzschläge pro Minute), ermittelt aus Daten mit doppelter Erfassung (blaue Quadrate) und einfacher Erfassung (rote Kreise), während eine Person 24 Minuten Rad fährt.
3. Ansicht des Geräts bei einer basketballspielenden Person
4. Vergleich von RR und HR aus Daten mit doppelter und einfacher Erfassung, während eine Person 11 Minuten Basketball spielt.
5. Ansicht des Geräts bei einer schwimmenden Person.
6. Vergleich von RR und HR aus Daten mit doppelter und einfacher Erfassung, während eine Person 5 Minuten schwimmt.
7. Beschleunigungsdaten aus der doppelten Erfassung beim Schwimmen.
8. Vergrößerte Daten zum Differenzsignal und zur Basislinie.

Anwendung im Arbeitsschutz

Unabhängig von der Branche stehen Gesundheit und Sicherheit der Beschäftigten an erster Stelle. In diesem Zusammenhang ermöglicht die kontinuierliche Überwachung der Gesundheitsparameter körperlich schwer arbeitender Menschen, besonders im Bauwesen, Bergbau, bei der Feuerwehr und in ähnlichen Bereichen, mögliche Probleme frühzeitig zu erkennen. Auch unter den bei diesen anspruchsvollen Berufen herrschenden hohen Temperaturen, lauten Geräuschen oder anderen Umgebungsbedingungen kann der neue Entwurf präzise Messungen liefern.

Anwendung zur Überwachung des Genesungsverlaufs von Covid-19-Patienten

Das neue Gerät kann besonders in jüngster Zeit bei der häuslichen Überwachung von Patienten, insbesondere mit Covid-19, große Vorteile bieten. Es bietet eine neue Möglichkeit, den Gesundheitszustand von Menschen kontinuierlich zu überwachen und aufzuzeichnen, die keinen Krankenhausaufenthalt benötigen und die Erkrankung in häuslicher Isolation überstehen können. Neben RR, HR, Körpertemperatur und Bewegungen kann es auch Intensität und Häufigkeit von Handlungen wie Husten, Sprechen und Lachen erfassen. Diese Daten sind wichtig für die Beurteilung der Krankheitssymptome.

Das Gerät wurde 8 Tage lang bei einem positiv getesteten Covid-19-Patienten erprobt. Während der Genesung des Patienten wurden Daten über 171 Stunden gewonnen, darunter Messungen zu trockenem Husten und Atemnot. Es ist sinnvoll zu betonen, dass diese Daten für die Symptombeurteilung wichtig sind.

Eine breite Anwendung dieser Technologie könnte die Patientenversorgung verbessern, bei der Bewältigung der Pandemie helfen und dazu beitragen, dass wir die Erkrankung besser erfassen. Außerdem könnte sie nicht nur bei Covid-19, sondern auch in anderen Bereichen eingesetzt werden.

Zusammenfassung

Aufgrund menschlicher Bewegungen können die meisten tragbaren Technologien insbesondere bei kardiopulmonalen Messungen (Herz und Atmung) keine präzisen Ergebnisse liefern. Mit dieser neuen Technologie wurden jedoch die Messungen verschiedener physiologischer Parameter und Aktivitäten verbessert. Ihre wasserdichte Beschichtung ermöglicht den Einsatz auch im Wassersport, während Einflüsse auf die Genauigkeit durch laute Geräusche, Hitze und ähnliche Umgebungsfaktoren minimiert werden.

Die vorgestellte Technologie hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise ist es wichtig, Aktivitäten von Menschen nach einem Schlaganfall und mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung im Alltag außerhalb von Krankenhäusern und Rehabilitationszentren zu verfolgen. Dabei ermöglicht sie eine von Umgebungsgeräuschen unabhängige Überwachung ohne Mikrofon, ohne die Privatsphäre der Person zu verletzen. Darüber hinaus kann sie in vielen weiteren Bereichen in den Alltag integriert werden.

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