Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin opracował ultracienki, lekki, elektroniczny tatuaż, który po przyczepieniu do klatki piersiowej zapewnia ciągłe, mobilne monitorowanie pracy serca poza środowiskiem klinicznym. Zawiera on dwa czujniki, które razem dostarczają wyraźny obraz stanu serca, dzięki czemu dają klinicystom większą szansę na wczesne wychwycenie objawów nieprawidłowości w działaniu tego narządu.
Sejsmokardiogram (SKG) serca zamiast EKG
– W naszym urządzeniu zsynchronizowaliśmy EKG i SKG, czyli sejsmokardiogram. Dane są zsynchronizowane w czasie i na tej podstawie możemy uzyskać informacje o opóźnieniu między stymulacją elektryczną a uderzeniem serca oraz o tym, ile zajmuje wyrzut krwi z mięśnia sercowego – są to dwa główne parametry, które porównaliśmy w naszej pierwszej pracy. Chcieliśmy także dokonać pomiarów innych parametrów pracy serca, na przykład czas skurczu izowolumetrycznego, średni odstęp RR z EKG oraz inne odstępy widoczne w zapisie EKG – mówi Sarnab Bhattacharya.
– EKG jest metodą stosowaną do oceny pracy serca w przychodniach, uznaliśmy jednak, że ma ona pewne braki. Chcieliśmy użyć innej metody w połączeniu z EKG, aby uzyskać więcej informacji na temat zdrowia serca. Zastosowaliśmy więc SKG, które rejestruje drgania na powierzchni klatki piersiowej wywołane przez bicie serca. Na tej podstawie mogliśmy zmierzyć więcej parametrów niż tylko tętno i inne elektryczne aspekty czynności serca i uwzględnić aspekty mechaniczne. W literaturze stwierdzono, że nawet jeśli EKG jest w normie, może wystąpić niewydolność serca spowodowana niewydolnością samych mięśni. Czyli nawet jeśli czynność elektryczna serca jest w normie, mechanicznej niewydolności serca nie da się zawsze wykryć za pomocą EKG. Chcieliśmy uwzględnić również mechaniczne i akustyczne aspekty pracy serca – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Innowacje Sarnab Bhattacharya z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin.
E-tatuaż na klatce piersiowej stale monitoruje pracę serca. Jak to działa?
E-tatuaż opracowany przez naukowców z Teksasu jest ultracienkim elektronicznym urządzeniem przyczepianym do klatki piersiowej. Umożliwia ono ciągłe, mobilne monitorowanie pracy serca w pozaklinicznym środowisku. Dzięki temu lekarze mogą wychwycić nieprawidłowości na bardzo wczesnym etapie, co nie zawsze jest możliwe podczas badania w przychodni czy szpitalu.
Tworząc urządzenie, zespół naukowy bazował na podobnym, które stworzono na uczelni już w 2019 roku. E-tatuaż jest wykonany z piezoelektrycznego polimeru, zdolnego do generowania własnego ładunku elektrycznego w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne. Urządzenie zawiera również technologię cyfrowej korelacji obrazu 3D, która służy do mapowania drgań klatki piersiowej w celu określenia najlepszego miejsca do umieszczenia e-tatuażu. Wyzwaniami, jakie musieli rozwiązać naukowcy, rozwijając ten projekt, były kwestie związane z gromadzeniem i przechowywaniem danych, a także ze sposobami bezprzewodowego zasilania e-tatuażu przez dłuższy czas. Wówczas zasilanie dostarczał smartfon. Teraz jest to bateria wielkości monety, która może pracować nieprzerwanie przez 40 godz. i którą można łatwo wymienić. Całe urządzenie waży 2,5 g.
– Można korzystać z ciągłego monitoringu podczas codziennych czynności i otrzymywać wszystkie dane w czasie rzeczywistym na urządzenie bazowe, którym może być smartfon, oraz dokonywać dalszego przetwarzania danych z tego poziomu albo przesłać dane do chmury w czasie rzeczywistym, aby tam je przetwarzać. Urządzenie wykrywa niewydolność serca i inne nieprawidłowości najszybciej jak to możliwe. Może ono także wykrywać procesy długotrwale związane z wiekiem, na przykład stopniowe obniżanie się wydolności serca – mówi naukowiec z Uniwersytetu Teksańskiego.
Urządzenie ma jednak też swoje wady. Korzysta z elektrod, które trzeba wymieniać co około dwa tygodnie, bo w tym czasie tworzą się na nich nowe warstwy naskórka. Konieczne jest wówczas zdjęcie urządzenia i wymiana zużytych elektrod, a następnie ponowne umieszczenie na ciele. Ze względu na to, że urządzenie jest cienkie i z uwagi na sposób wykonania może to wymagać nieco wysiłku. Obecnie użytkownik nie może sam założyć urządzenia, jednak jest ono pod tym względem udoskonalane. W planach jest też rozszerzenie zakresu funkcjonalności e-tatuażu.
– Chcemy dodać inne parametry, takie jak temperatura ciała, PPG, czyli fotopletyzmografię określającą objętość i prędkość przepływu krwi po jej wyrzucie z klatki piersiowej. Dzięki temu uzyskamy informacje na temat układu naczyniowego, co oznacza, że będzie można obserwować przepływ krwi przez naczynia włosowate i żyły. Zajmujemy się także kompensacją ruchu, ponieważ w większości przypadków, gdy chcemy monitorować parametry życiowe osoby będącej w ruchu, zawsze będą występować zakłócenia sygnału. Potrzebne są więc różne algorytmy i metody. Zajmujemy się również tymi zagadnieniami, aby możliwe było korzystanie z naszego urządzenia w ciągu dnia i zbieranie użytecznych danych – zapowiada Sarnab Bhattacharya.
Zanim urządzenie doczeka się komercjalizacji, czeka je jeszcze szereg testów wymaganych w procesie certyfikacji, m.in. badań klinicznych. E-tatuaż z pewnością będzie testowany na pacjentach oddziałów kardiologicznych. Byłoby to pierwsze urządzenie służące do długoterminowego, komfortowego monitorowania poza środowiskiem klinicznym. O ile niektóre smartfony mogą dokonywać pomiaru EKG, o tyle żadne urządzenie mobilne nie zapewnia możliwości wykonania jednocześnie EKG i SKG.
Według Grand View Research światowy rynek urządzeń monitorujących parametry życiowe wypracował w 2022 roku 9,2 mld dol. przychodów i do końca dekady będzie rósł w średniorocznym tempie 8,5 proc.
Choroby układu sercowo-naczyniowego
Według WHO choroby układu sercowo-naczyniowego stanowią główną przyczynę zgonów na świecie. Jak wskazuje Polskie Towarzystwo Kardiologiczne, w Polsce są one wiodącą przyczyną nadumieralności, czyli zgonów w grupie pacjentów poniżej 65. roku życia. Wśród chorób układu krążenia choroby serca stanowią 59 proc. przyczyn zgonów.