Den næste bølge inden for wearables: Smartere diagnostisk sundhedspleje med ultralydsplastre

Wearable-teknologi, eller ‘wearables’, har fået stor opmærksomhed, både med hensyn til udvikling og brug.

Disse elektroniske enheder er designet til at blive båret som tilbehør på brugerens krop. De kan endda blive implanteret eller indlejret i tøj. Faktisk, som vi delte, har forskere for nylig opnået et gennembrud inden for wearable‑teknologi, der muliggør fremstilling af tekstiler, der reagerer på bevægelse og temperatur. Hvor spændende er det!

Men hvordan opnår wearables det? Nå, de er udstyret med sensorer, der indsamler data relateret til brugerens sundhed, fitness og miljøforhold. Processorer gør derimod, at de kan håndtere beregninger og udføre deres tilsigtede opgaver.

Disse enheder er desuden designet til at kommunikere med andre enheder via trådløse teknologier, så de kan synkronisere data og få adgang til yderligere funktioner gennem en app.

Wearable‑teknologi har flere anvendelsesområder, såsom navigation, interaktiv gaming, forbedring af effektivitet og muliggørelse af kontaktløse betalinger, blandt andet, for at forbedre den samlede brugeroplevelse.

En kritisk anvendelse i den virkelige verden af wearables, som vi vil fokusere på i dag, er medicin og sundhedspleje. Wearable sundheds‑enheder falder faktisk ind i to brede kategorier: forbruger‑grade wearables og medicinsk‑grade wearables.

Forbruger‑grade wearables såsom ure, tøj og ringe gør det muligt for brugerne at overvåge deres sundhed og fitness ved at holde styr på målinger som skridt, forbrændte kalorier, puls, iltniveauer og søvnmønstre. At have realtidsadgang til værdifulde data gør det muligt for brugerne at passe bedre på sig selv.

Medicinsk‑grade wearables omfatter derimod blodtryksmonitorer, ECG‑monitorer, biosensorer og glukosemonitorer, som bliver populære for at give brugerne værdifulde data til at håndtere kroniske sygdomme. Ved at give patienterne mulighed for at indsamle og få adgang til deres egne sundhedsdata og derefter rapportere dem, eliminerer denne teknologi behovet for fysiske konsultationer.

Disse enheder giver også sundhedsprofessionelle handlingsorienterede indsigter i realtid, som også er tilgængelige på afstand, og hjælper dem med at levere mere personlige behandlinger. Interessant nok kan vi måske snart endda bruge vores almindelige smartphones som glukosemålere.

I betragtning af de enorme fordele ved wearable‑teknologi er der en eksplosiv efterspørgsel efter smarte wearable sundheds‑enheder, som anslået til at være $70 milliarder værd i de næste fire år.

Forbruger‑grade wearables udgør den største andel af wearables på grund af deres øgede tilgængelighed og tilgængelighed og naturligvis den brede tilgængelighed af smartphones, der muliggør nem datastyring. Medicinsk‑grade wearables skal derimod gennemgå klinisk forskning og modtage godkendelse fra relevante myndigheder for at indsamle data til klinisk beslutningstagning.

Wearable ultralydsinnovation revolutionerer sundhedsplejen

Midt i al denne begejstring og udvikling omkring wearables har forskere udviklet en wearable ultralydsenhed, der udfører trådløs overvågning af muskelaktivitet. Denne nye teknologi har potentielle anvendelser inden for sundhedspleje og menneske‑maskine interaktion.

Wearable elektromyografi (EMG) enheder kan allerede identificere muskelaktivitet for at overvåge sundhed og spore kropsbevægelse. Denne tilgang er dog ret begrænset på grund af, at EMG‑signaler har lav rumlig opløsning, stabilitet og signal‑til‑støj‑forhold.

EMG‑signaler fra flere muskelfibre har også tendens til at blive blandet, hvilket gør det svært at isolere bidragene fra den specifikke muskelfiber.

For ikke at nævne, at de er intrinsisk svage under normal muskelaktivitet. For at kompensere for dette skal store elektroder påføres huden for at registrere elektrisk muskelaktivitet, hvilket reducerer den rumlige opløsning.

Et lovende alternativ til denne kliniske standard er ekkomygrafi (EcMG), som kan opdage muskelbevægelse ved hjælp af ultralydsbølger. Ultralyd trænger jo igennem dybt væv for at give højopløsningsbilleder, hvilket giver detaljeret indsigt i muskelfunktion.

Selvom den er sikker, alsidig og tilgængelig, er problemet med EcMG, at den er afhængig af store og komplekse transducer‑arrays. De begrænser ikke kun brugerens mobilitet, men har også et højt strømforbrug.

Så udviklede ingeniører ved University of California San Diego, med støtte fra National Institutes of Health, et fuldt integreret wearable ekkomygrafi‑system.

Sheng Xu, professor og Jacobs Faculty Scholar i Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and NanoEngineering ved UC San Diego, som ledede denne undersøgelse, har tidligere rapporteret sådanne ultralydsplastre.

Sidste år rapporterede de, at de opnåede trådløs funktion i dette plaster. Nøgleelementet i den undersøgelse var dets ultralydskredsløbsdesign.

I denne tidligere enhed erstattede teamet det fleksible kabel, der var forbundet til ultralydsproben, og brugte det til datatransmission og strøm.

“(Dette kredsløb) kan forbehandle og trådløst overføre ultralydsdata til en back‑end station for yderligere analyse.”

– Xu sagde på det tidspunkt

Fokus for den forrige undersøgelse var på kardiovaskulær sundhed, og maskinlæringsalgoritmen behandlede automatisk signalerne og sporede kontinuerligt carotisarterien, så teamet kunne få ultralydsinformation, selv når plasterbæreren bevægede sig.

“Denne automatiske sporingsalgoritme giver hidtil usete muligheder for medicinsk ultrasonografi og træningsfysiologi.”

– Muyang Lin, hovedforfatter og Ph.D.-kandidat i Xu‑laboratoriet

Teamet krydstestede deres AI‑model blandt ti sunde forsøgspersoner fra tre forskellige etniske grupper, og næste skridt involverede validering af plasteret i en større befolkning. Ifølge Lin:

“Med denne type enhed håber vi at udviske grænsen mellem hjemmepleje og hospitalsdiagnostik. Vi forudser en fremtid, hvor diagnoser kan forekomme når som helst og hvor som helst, muliggør af trådløse enheder som disse.”

Selvom plasteret blev evalueret til overvågning af kardiovaskulære funktioner, kunne det også anvendes på maven og lemmerne til henholdsvis diafragma‑ og perifere arterieovervågning, som blev målrettet i den seneste undersøgelse. For et par måneder siden demonstrerede Xinyi Yang fra Xus laboratorium, at det wearable ultralydsplaster også kan bæres komfortabelt på tindingen for at levere 3D‑data om cerebral blodgennemstrømning.

Udnyttelse af potentialet i menneske‑maskine interaktion

Nu var hovedinnovationen i den seneste forskning brugen af den enkelte ultralydstransducer til at opfange dybe problemstillinger mere effektivt.

Det bløde ultralydsplaster er indkapslet i et fleksibelt silikone‑elastomerhylster og omfatter tre hovedkomponenter – en enkelt transducer til at sende og modtage ultralydsbølger, et tilpasset trådløst kredsløb til databehandling og styring af transduceren samt et indbygget lithium‑polymer‑batteri, der driver systemet i mindst tre timer.

Den enkelte ultralydstransducer, som er hovedinnovationen, udsender ultralydsbølger med kontrolleret intensitet og opfanger radiofrekvenssignaler, der bærer information. Dette muliggør kliniske anvendelser som måling af diafragma‑tykkelse.

Enheden bruger disse signaler til at opnå høj rumlig opløsning, hvilket er vigtigt for at isolere specifikke muskelbevægelser. Et tilpasset dyb‑læringsalgoritme hjalp derimod forskerne med at udtrække yderligere indsigter fra disse signaler.

AI‑algoritmen kortlægger signalerne til deres tilsvarende muskelfordelinger, hvilket muliggør præcis detektion af specifikke bevægelser ud fra de indsamlede signaler.

Den batteridrevne enhed kan fastgøres til huden med et lag klæbemiddel for præcis langvarig trådløs overvågning af muskler.

“Denne teknologi kunne potentielt bæres af individer i deres daglige rutiner for kontinuerlig, langvarig overvågning.”

– Medforfatter Xiangjun Chen, Ph.D.-kandidat i Materials Science and Engineering‑programmet ved UC San Diego

For at demonstrere, hvad den kan opnå, brugte teamet enheden til at opdage diafragma‑aktivitet, hvilket muliggør genkendelse af forskellige åndedrætsformer.
De fandt, at deres wearable enkelt‑transducer ekkomygrafi‑system faktisk kan spore og detektere forskellige åndedrætsmønstre ved at følge diafragma‑aktivitet med sub‑millimeter opløsning.

Under enhedstestning blev den båret over ribbenkassen for at overvåge tykkelsen og bevægelsen af diafragma, hvilket hjælper med at vurdere respiratorisk sundhed.

Tykkelsen bruges til at evaluere diafragma‑dysfunktion og forudsige udfald hos ventilerede patienter. Ved at analysere muskelbevægelse kan forskellige åndedrætsmønstre detekteres, hvilket kan hjælpe med at diagnosticere tilstande relateret til åndedrætsirregulariteter, såsom lungebetændelse, astma og kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL).

I et lille gruppeforsøg lykkedes det enheden at skelne mellem åndedrætsmønstre hos sunde individer og dem med KOL, hvilket viser enhedens potentiale inden for respiratorisk pleje.

“Ved at spore diafragma‑aktivitet kunne teknologien potentielt støtte patienter med respiratoriske tilstande og dem, der er afhængige af mekanisk ventilation.”

– Studie‑medforfatter Joseph Wang, professor i Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering

Enheden blev derefter brugt på underarmen til at opdage hånd‑ og håndledsmuskelaktivitet. Det blev fundet, at den med succes genkendte håndbevægelser fra de enkelt‑kanal radiofrekvens‑ultralydssignaler, der registreres fra underarmens muskler.

Det tilpassede dyb‑læringsalgoritme gjorde det muligt for teamet at detektere forskellige håndbevægelser mere præcist kun ud fra ultralydssignaler. I alt 13 håndleddene blev rapporteret som genkendt med en gennemsnitlig fejl på kun 7,9°.

Denne bevægelsesdetektion omfattede ti fingerled og tre håndledsrotationsvinkler, hvilket viser, at systemet kan opfange selv små finger‑ og håndledsbevægelser med høj følsomhed. Og denne specifikke test demonstrerer potentialet for enhedens anvendelse som en menneske‑maskine grænseflade til at spille et virtuelt spil eller styre en robotarm.

Ifølge studie‑medforfatter Wentong Yue, Ph.D.-kandidat i samme afdeling på UC San Diego:

“Disse demonstrationer understreger teknologiens potentiale for proteser, gaming og andre menneske‑maskine grænseflade‑applikationer.”

Nu vil forskerne i de næste skridt sigte mod at yderligere forbedre energiydeevnen, bærbarheden, nøjagtigheden og de beregningsmæssige kapaciteter i teknologien.

Stigningen i wearable ultralydsudstyr åbner fremtiden for medicin

Wearable ultralyd er et medicinsk gennembrud, der kan revolutionere sundhedsplejen. Denne fremgang har dog været i gang i et stykke tid. Gennem årene har forskere tacklet forskellige udfordringer og udviklet forskellige wearable ultralydsudstyr for bedre fjernovervågning af en patients kritiske fysiologiske funktioner.

Kilde: Wiley Online Library

Tidligere i år opdagede forskere et flydende metal for at overvinde problemet med akustisk impedans i ultralydssystemer, der er afhængige af transducere. Normalt tackles dette problem med hjælp af matchende lag, men de fleste materialer, der anvendes til dette, har været for stive til wearable‑enheder.

For at designe et mere tilpassende men funktionelt matchende lag brugte forskerne forskellige størrelser og volumener af gallium‑baserede dråber i blød silikone. Ved at mætte silikonen med omkring 70 % af dråberne forbedrede den resulterende densitet i matchende lag dens akustiske impedans med over 400 %. Når laget blev belastet, ligesom hvad et matchende lag kan udsættes for som en del af en wearable‑enhed, faldt impedansen kun med 13 %.

Teamet integrerede derefter sit strækbare matchende lag i en wearable ultralydsprototype, som med succes registrerede den simulerede bevægelse og demonstrerede dens potentiale som diagnostisk enhed.

For et par år siden udviklede et NIH‑finansieret forskningsteam ledet af Dr. Xuanhe Zhao ved MIT også et wearable ultralydsplaster, på størrelse med et tykt poststempel, som klæber til huden i både tørre og våde miljøer.

Ved testning blev det konstateret, at plasteret kunne bæres komfortabelt i mindst 48 timer og var i stand til at levere kontinuerlig billeddannelse af muskler, blodkar, hjerte, diafragma, lunger eller mave. Plasteret skulle dog tilsluttes computersystemer for intensiv databehandling. Som vi har set, har den seneste udvikling fokuseret på at fjerne disse begrænsninger, samtidig med at systemet er blevet mere effektivt.

“Vi forestiller os flere plaster, der er fastgjort på forskellige steder på kroppen, og plasterne vil kommunikere med din mobiltelefon, hvor AI‑algoritmer vil analysere billederne på efterspørgsel.”

– Zhao sagde på det tidspunkt

Dette er nu ved at blive en realitet, med det skotske sundhedsteknologifirma Novosound, der i år sikrede sig et patent på deres wearable ultralyd. Enheden, som konstant overvåger patientens blodgennemstrømning og tryk, er fastgjort til kroppen for at producere billeder på mobile enheder.

“Dette giver os mulighed for at integrere og licensere teknologien med smartwatch‑partnere, se dybere ind i kroppen og forbedre målingerne fra deres optiske og elektriske sensorer, hvilket åbner den hellige gral for 24/7 blodtryksmonitorering på håndleddet.”

– Novosound CEO og medstifter Dr. Dave Hughes

Patentet giver virksomheden ikke kun eksklusive rettigheder til at sælge teknologien og pilotprojekter med store institutioner, men også engagement i F&U‑kontrakter for forbruger‑digitale sundheds‑applikationer. Novosound har allerede indgået partnerskab med Texas Medical Center for at udvikle anvendelsestilfælde for deres ultrasound‑wearables.

Relevante virksomheder inden for sundheds‑wearables

Wearable‑teknologi er en voksende sektor, der har fanget interessen hos teknologigiganter som Apple (AAPL ), som har udforsket sundhedsrelaterede anvendelser gennem deres forbruger‑grade wearable Apple Watch.

Vi vil dog fokusere på virksomheder, der er aktivt involveret i det medicinske felt, så her er to fremtrædende navne, der potentielt kan drage fordel af innovationer som wearable ultralyd.

1. Medtronic

En global leder inden for medicinsk udstyr, Medtronic Public Limited Company, leverer brede sundhedsteknologiløsninger og udforsker wearables til diagnostik og sundhedsovervågning, inklusive fjernløsninger.

I 2022 indgik Medtronic et partnerskab med BioIntelliSense for deres BioButton‑wearable, som måler op til 1.440 vitale tegn pr. dag, herunder hvilepuls, hudtemperatur og hvileåndedrætsfrekvens. I år er virksomheden fokuseret på AI og beder hver afdeling om at komme med idéer til, hvordan teknologien kan bruges til at øge produktiviteten.

Med en markedsværdi på $115,56 milliarder handles Medtronic-aktier i øjeblikket til $90,11, op 9,38 % i år. Med dette har virksomheden en EPS (TTM) på 2,97 og en P/E (TTM) på 30,31, mens den betaler en udbytteafkast på 3,11 %.

For første kvartal af regnskabsåret 2025, der sluttede 26. juli 2024, rapporterede en omsætning på $7,9 milliarder, en stigning på 2,8 %. “Vores underliggende markeder er sunde, vi driver driftsdisciplin, og ny produktinnovation driver diversificeret vækst på tværs af nøglemarkeder inden for sundhedsteknologi,” sagde CEO Geoff Martha.

I dette kvartal steg omsætningen for deres kardiovaskulære portefølje med 5,5 % til $3 milliarder, neurovidenskabsporteføljens omsætning steg med 4,4 % til $2,3 milliarder, og diabetessegmentet steg med 11,8 % til $647 millioner, mens den medicinsk‑kirurgiske porteføljes omsætning faldt med 0,4 % til $1,996 milliarder.

2. GE HealthCare Technologies

Dette er et medicinsk teknologifirma, der tilbyder innovative ultralydsløsninger ud over billeddiagnostik, farmaceutisk diagnostik (PDx) og patientplejeløsninger (PCS). Givet deres fokus på ultralydsløsninger kan GE Healthcare potentielt integrere wearable‑fremskridt til diagnostisk billeddannelse.

I år samarbejder virksomheden med Biofourmis for at udvide rækkevidden af patientovervågnings‑teknologi til deres hjem. Biofourmis er en virtuel specialplejeplatform, der kombinerer AI‑algoritmer for at tilbyde værktøjer, der hjælper med at overvåge akutte og post‑akutte patienter på afstand.

For et par år siden lancerede GE Healthcare også trådløse, bærbare sensorer, som patienter kan bære under deres hospitalsophold, så klinikere kan holde styr på deres vitale tegn uden at skulle foretage regelmæssige kontrolbesøg.

Med en markedsværdi på $39,64 milliarder handles GE HealthCare-aktier i øjeblikket til $86,78.11, op 12,23 % i år. Med dette har virksomheden en EPS (TTM) på 3,65 og en P/E (TTM) på 23,77, mens den betaler et udbytteafkast på 0,14 %.

For Q3 2024 rapporterede GE HealthCare en omsætning på $4,9 milliarder, en stigning på 1 % år‑over‑år, mens de bemærkede, at den positive omsætningsvækst i USA blev udlignet af fortsat markedssvaghed i Kina. Nettoresultatet var $470 millioner, og pengestrøm fra driftsaktiviteter var $742 millioner, mens fri pengestrøm var $651 millioner.

“Løbende lean‑initiativer på tværs af organisationen leverer bedre værdi til patienter og kunder og har resulteret i en robust marginudvidelse.”

– CEO Peter Arduini

Konklusion 

Inden for sundhedspleje spiller ultralyd en central rolle, der gør det muligt for klinikere at se ind i vores kroppe for at diagnosticere sygdomme og overvåge sundhed. Derfor er forskere interesserede i at integrere denne ikke‑invasive teknik i wearable‑enheder.

Som vi så med den seneste forskning, kan det alsidige wearable ultralydsplaster levere højopløsningsbilleddannelse af indre væv på farten til forskellige kliniske og diagnostiske anvendelser, hvilket indleder en ny æra af personlig sundhedspleje.

Samlet set er wearables fremtiden for sundhedspleje, selvom bekymringer omkring sensorernes nøjagtighed og pålidelighed samt batterilevetid skal tackles, og bedre adgang til analyseværktøjer bør tilbydes for at høste teknologiens fulde fordele!

Klik her for en liste over top wearable sundhedssporingsvirksomheder.