Intelligentes Pflaster überwacht Patienten per Ultraschall

Bei der Ultraschalluntersuchung wird das Gewebe durch die Reflexion von Hochfrequenz-Schallwellen an einem Medium mit unterschiedlicher Dichte dargestellt. Die von der Ultraschallsonde aufgefangenen Echos werden dann zu Bildern rekonstruiert. Obwohl die Ultraschalluntersuchung im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren billiger und sicherer für den Patienten ist, erfordert sie relativ sperrige Geräte und vor allem einen geschulten Techniker oder Arzt, um sie zu bedienen. Die Schärfe des erhaltenen Bildes und die Zuverlässigkeit des Ergebnisses hängen hauptsächlich von der Handhabung der Sonde ab. Daher ist die herkömmliche Ultraschalluntersuchung von Natur aus manuell und kann nicht kontinuierlich während der Aktivität des Patienten durchgeführt werden.

Mehrere Forschungsgruppen arbeiten an der Entwicklung eines tragbaren Ultraschallsystems. Ihre bisherigen Bemühungen haben zu verschiedenen Systemen geführt, die jedoch einen physischen Anschluss an eine externe Stromquelle und einen Datensammler oder andere Hardware erfordern.

Ultraschallpflaster

Autoren der University of California, San Diego, haben in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology ihre Studie über einen neuen voll integrierten Ultraschall-Herzfrequenzsensor veröffentlicht (siehe Abbildung). Das System besteht aus einer elastischen Ultraschallsonde, die aus einer 32-kanaligen Anordnung von piezoelektrischen Wandlern besteht, die elektrische Signale in Schallwellen umwandeln und umgekehrt. Die Sonde ist über verdrillte elastische Kupferdrähte mit einem flexiblen Steuerkreis verbunden. Der Steuerkreis steuert die Erzeugung von Ultraschallimpulsen und die Erfassung von Echos, die dann verstärkt und an den Mikrocontroller weitergeleitet werden. Dieser wandelt sie in digitale Signale um, die über Wi-Fi an einen Computer oder ein Smartphone gesendet werden. Das System wird mit einem Standard-Lithium-Polymer-Akku betrieben und hält mit einer einzigen Ladung bis zu 12 Stunden. Der Sensor ist in der Lage, Signale von Geweben zu erkennen, die sich bis zu 16 Zentimeter unter der Oberfläche des Körpers befinden.

Auswertung der Signale

Um die Daten des Ultraschallpflasters zu analysieren, entwickelte das Forscherteam einen auf maschinellem Lernen basierenden Algorithmus. Anhand der Pulsationen der Halsschlagader und der Halsvene werden die Herzfrequenz und der Blutdruck des Trägers berechnet. Das System ist auch in der Lage, die Kontraktion des Herzmuskels zu messen, um das ausgestoßene Blutvolumen zu schätzen, und die Bewegungen des Zwerchfells zu überwachen, um die Atmungsparameter zu berechnen. Bewegt sich das Pflaster während der Aktivität des Trägers relativ zum erfassten Gewebe, kann das System in Echtzeit die Sensorkanäle mit dem besten Signal auswählen.

Das Gerät wurde unter realen aeroben und anaeroben Trainingsbedingungen getestet. Bei beiden Aktivitäten war das Ultraschallpflaster in der Lage, die Pulsation der Halsschlagader kontinuierlich zu überwachen und so den Blutdruck, die Herzfrequenz und die Herztätigkeit zu kontrollieren.

Und welche Anwendungen zeichnen sich in der Praxis ab?

Der Ultraschall des Pflasters soll die herkömmliche Ultraschalluntersuchung nicht ersetzen. Die Qualität des erfassten Signals sowie die Tiefe der Gewebepenetration sind noch begrenzt. Der Hauptvorteil des Systems ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Echtzeitüberwachung während der täglichen Aktivitäten, was von erheblichem klinischem Wert sein kann. So ist beispielsweise die Reaktion des Patienten auf intensive körperliche Betätigung aus Sicht einer strengen Diagnostik wichtig. Die kontinuierliche Überwachung über einen längeren Zeitraum ermöglicht die Analyse der dynamischen Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems als Reaktion auf Stressfaktoren. Diese Erkenntnisse könnten für eine Reihe von Personen von Nutzen sein, von Sportlern, die ihren Trainingsplan optimieren wollen, über Patienten, die sich nach kardialen Eingriffen rehabilitieren, bis hin zu Hochrisikogruppen, bei denen eine bessere Stratifizierung und Vorhersage des kardiovaskulären Risikos erforderlich ist.