Draadloze ultrasone monitor is klaar voor een training - Physics World

Draadloze ultrasone monitor is klaar voor een training - Physics World

Tijdstempel: 14 juni 2023 11:00 uur

Een foto waarop het bovenste deel van de blote borst van een persoon te zien is, waarbij de ultrasone chip op de huid boven het hart is geplakt. De chip is kleiner dan een creditcard en zit niet aan draden vast.
Geschikt voor het doel: het nieuwe draagbare draadloze echografiesysteem, gemonteerd op de borst, voor het meten van de hartactiviteit. (Met dank aan Muyang Lin)

Onderzoekers in de VS hebben een ultrasone transducer ontworpen die informatie draadloos verzendt en comfortabel op de huid kan worden gedragen, waarmee twee grote tekortkomingen van eerdere apparaten worden overwonnen. Ontwikkeld door Muyang Lin, Sheng Xu en collega's van de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD) zou de nieuwe transducer kunnen worden gebruikt om patiënten met ernstige cardiovasculaire aandoeningen te monitoren, en om atleten te helpen hun training bij te houden.

Ultrasone transducers werken door hoogfrequente geluidsgolven naar het lichaam te zenden en vervolgens de golven te detecteren die worden gereflecteerd door weefsels met verschillende dichtheden en akoestische eigenschappen. In de afgelopen decennia hebben verbeteringen aan het ontwerp van sondes en circuits, gecombineerd met betere algoritmen voor het verwerken van ultrasone signalen, transducers opgeleverd die zich kunnen aanpassen aan de plooien van iemands huid. Hierdoor kunnen de apparaten continu ultrasone signalen meten, wat vooral handig is voor het monitoren van de hartslag van aderen en slagaders.

Onderzoekers in het laboratorium van Xu hadden dat wel eerder ontwikkelde draagbare ultrasone sondes die verschillende fysiologische parameters van diepe weefsels zouden kunnen monitoren, waaronder bloeddruk, bloedstroom en zelfs cardiale beeldvorming. Toch had de technologie enkele tekortkomingen. “Deze draagbare sondes zijn allemaal aangesloten op een omvangrijke machine voor stroom- en gegevensverzameling, en zullen tijdens menselijke beweging van relatieve positie verschuiven, waardoor ze hun doelen uit het oog verliezen”, legt Lin uit, een promovendus in nano-engineering aan de UCSD en hoofdauteur van een papier erin Nature Biotechnology op het apparaat.

Vanwege deze gebreken konden eerdere continue ultrasone sensoren de mobiliteit van een drager ernstig belemmeren. Ze moesten ook regelmatig worden aangepast terwijl de dragers zich verplaatsten.

Echografie ongebonden

Om deze problemen aan te pakken, heeft het UCSD-team een ​​nieuw apparaat ontwikkeld op basis van een geminiaturiseerd, flexibel regelcircuit dat communiceert met een reeks transducers. Dit apparaat verzamelt de ultrasone signalen, maar verwerkt deze niet rechtstreeks. In plaats daarvan stuurt het ze draadloos door naar een computer of smartphone, die ze verwerkt met behulp van machinaal leren.

“We hebben een algoritme ontwikkeld om het signaal automatisch te analyseren en het kanaal te selecteren dat het beste signaal heeft op bewegend doelweefsel”, legt Lin uit. “Daarom zijn de signalen van het doelweefsel continu, zelfs tijdens menselijke beweging.”

De onderzoekers testten deze mogelijkheid door het apparaat te gebruiken om de positie van de halsslagader van een mens te volgen, terwijl de pulsatie van het bloed daarbinnen werd gevolgd. Deze slagader levert bloed aan het hoofd en de nek, dus hebben ze het algoritme getraind om verplaatsingen te herkennen die worden veroorzaakt door verschillende bewegingen van het hoofd van de proefpersoon.

Hoewel het team het algoritme slechts op één onderwerp trainde, zorgde een verder geavanceerd aanpassingsalgoritme ervoor dat nieuwe dragers de sensor met minimale hertraining konden gebruiken. Eenmaal getraind kon het apparaat ultrasone signalen van de pulsatie van de halsslagader tot wel 164 mm onder de huid detecteren, zelfs als de drager aan het sporten was.

Multifunctionele monitor

Xu en collega's waren oorspronkelijk van plan de mogelijkheden van de sensor als bloeddrukmeter te testen. Door hun experimenten ontdekten ze echter dat het ook andere belangrijke parameters kon monitoren, waaronder arteriële stijfheid, het bloedvolume dat door het hart werd weggepompt en de hoeveelheid lucht die door de drager werd uitgeademd.

Uiteindelijk voorspellen de onderzoekers dat hun ontwerp een breed scala aan mogelijkheden zou kunnen bieden voor continue ultrasone monitoring. “Door draagbare ultrasone technologie te gebruiken, kunnen we de patiënt losmaken van omvangrijke machines en de ultrasone onderzoeken automatiseren”, zegt Lin. “De diepe weefselfysiologie kan in beweging worden gevolgd, wat ongekende mogelijkheden biedt voor medische echografie en inspanningsfysiologie.”

Deze mogelijkheden kunnen levensveranderend zijn voor patiënten met cardiovasculaire aandoeningen, zegt Lin. “Voor risicopopulaties zijn abnormale waarden van de bloeddruk en het hartminuutvolume in rust of tijdens inspanning kenmerken van hartfalen”, legt hij uit. Maar daar houden de toepassingen niet op. “Voor een gezonde populatie kan ons apparaat in realtime de cardiovasculaire reacties op inspanning meten. Het kan dus inzicht geven in de daadwerkelijke trainingsintensiteit van elke persoon, wat als leidraad kan dienen voor het opstellen van gepersonaliseerde trainingsplannen.”

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld