Der kabellose Ultraschallmonitor ist bereit für das Training – Physics World

Forscher in den USA haben einen Ultraschallwandler entwickelt, der Informationen drahtlos überträgt und bequem auf der Haut getragen werden kann, wodurch zwei große Mängel früherer Geräte behoben werden. Entwickelt von Muyang Lin, Sheng Xu und Kollegen an der University of California San Diego (UCSD) könnte der neue Wandler zur Überwachung von Patienten mit schweren Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt werden und Sportlern dabei helfen, den Überblick über ihr Training zu behalten.

Ultraschallwandler übertragen hochfrequente Schallwellen in den Körper und erfassen dann die Wellen, die von Geweben mit unterschiedlicher Dichte und akustischen Eigenschaften reflektiert werden. In den letzten Jahrzehnten haben Verbesserungen an Sonden- und Schaltkreisdesigns in Kombination mit besseren Algorithmen zur Verarbeitung von Ultraschallsignalen Wandler hervorgebracht, die sich an die Hautfalten einer Person anpassen können. Dadurch können die Geräte kontinuierlich Ultraschallsignale messen, was besonders für die Überwachung des Pulsierens von Venen und Arterien nützlich ist.

Forscher in Xus Labor hatten zuvor entwickelte tragbare Ultraschallsonden das mehrere physiologische Parameter tiefer Gewebe überwachen könnte, darunter Blutdruck, Blutfluss und sogar Herzbildgebung. Dennoch wies die Technologie einige Mängel auf. „Diese tragbaren Sonden sind alle mit einer sperrigen Maschine zur Stromversorgung und Datenerfassung verbunden und verschieben ihre relative Position während der Bewegung des Menschen, sodass sie ihre Ziele aus den Augen verlieren“, erklärt Lin, Doktorandin in Nanotechnik an der UCSD und Hauptautorin einer Studie Papier hinein Nature Biotechnology auf dem Gerät.

Aufgrund dieser Mängel konnten bisherige kontinuierliche Ultraschallsensoren die Mobilität eines Trägers ernsthaft beeinträchtigen. Sie erforderten auch häufige Neueinstellungen, wenn sich der Träger bewegte.

Ultraschall ohne Kabel

Um diese Probleme anzugehen, entwickelte das UCSD-Team ein neues Gerät, das auf einer miniaturisierten, flexiblen Steuerschaltung basiert, die mit einer Reihe von Wandlern verbunden ist. Dieses Gerät sammelt die Ultraschallsignale, verarbeitet sie aber nicht direkt. Stattdessen werden sie drahtlos an einen Computer oder ein Smartphone weitergeleitet, das sie mithilfe von maschinellem Lernen verarbeitet.

„Wir haben einen Algorithmus entwickelt, um das Signal automatisch zu analysieren und den Kanal auszuwählen, der bei bewegtem Zielgewebe das beste Signal liefert“, erklärt Lin. „Daher sind die Signale vom Zielgewebe kontinuierlich, auch während sich der Mensch bewegt.“

Die Forscher testeten diese Fähigkeit, indem sie mit dem Gerät die Position der Halsschlagader eines menschlichen Probanden verfolgten und gleichzeitig das Pulsieren des Blutes darin überwachten. Diese Arterie versorgt Kopf und Hals mit Blut, daher haben sie den Algorithmus darauf trainiert, Verschiebungen zu erkennen, die durch unterschiedliche Bewegungen des Kopfes des Probanden verursacht werden.

Obwohl das Team den Algorithmus nur an einem einzelnen Probanden trainierte, ermöglichte ein weiter fortgeschrittener Anpassungsalgorithmus neuen Trägern die Verwendung des Sensors mit minimalem Umschulungsaufwand. Einmal trainiert, konnte das Gerät Ultraschallsignale des Pulsierens der Halsschlagader bis zu einer Tiefe von 164 mm unter der Haut erkennen, selbst wenn der Träger trainierte.

Mehrzweckmonitor

Xu und Kollegen hatten ursprünglich vor, die Fähigkeiten des Sensors als Blutdruckmessgerät zu testen. Durch ihre Experimente entdeckten sie jedoch, dass damit auch andere wichtige Parameter überwacht werden können, darunter die Arteriensteifheit, das vom Herzen abgepumpte Blutvolumen und die vom Träger ausgeatmete Luftmenge.

Der tragbare Ultraschallsensor ermöglicht eine kontinuierliche Herzbildgebung

Letztendlich gehen die Forscher davon aus, dass ihr Design vielfältige Möglichkeiten für die kontinuierliche Ultraschallüberwachung eröffnen könnte. „Durch den Einsatz tragbarer Ultraschalltechnologie können wir den Patienten von sperrigen Geräten entbinden und die Ultraschalluntersuchungen automatisieren“, sagt Lin. „Die Physiologie des tiefen Gewebes kann in Bewegung überwacht werden, was beispiellose Möglichkeiten für die medizinische Ultraschalluntersuchung und die Trainingsphysiologie bietet.“

Diese Fähigkeiten könnten für Patienten mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen lebensverändernd sein, sagt Lin. „Für gefährdete Bevölkerungsgruppen sind abnormale Werte des Blutdrucks und der Herzleistung im Ruhezustand oder bei körperlicher Anstrengung ein Kennzeichen einer Herzinsuffizienz“, erklärt er. Aber damit sind die Anwendungen noch nicht zu Ende. „Für eine gesunde Bevölkerung kann unser Gerät die kardiovaskulären Reaktionen auf körperliche Betätigung in Echtzeit messen. Dadurch können Einblicke in die tatsächliche Trainingsintensität jeder Person gewonnen werden, die als Grundlage für die Erstellung personalisierter Trainingspläne dienen können.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/wireless-ultrasound-monitor-is-ready-for-a-workout/