Die nächste Welle bei Wearables: Intelligente diagnostische Gesundheitsversorgung mit Ultraschall‑Patches

Wearable‑Technologie, oder „Wearables“, gewinnt sowohl in der Entwicklung als auch in der Nutzung stark an Bedeutung. 

Diese elektronischen Geräte sind dafür konzipiert, als Accessoires am Körper des Benutzers getragen zu werden. Sie können sogar implantiert oder in Kleidung eingebettet werden. Tatsächlich haben Forscher, wie wir bereits mitteilten, kürzlich einen Durchbruch in der Wearable‑Technologie erzielt, der die Herstellung von Textilien ermöglicht, die auf Bewegung und Temperatur reagieren. Wie aufregend ist das!

Aber wie erreichen Wearables das? Nun, sie sind mit Sensoren ausgestattet, die Daten zu Gesundheit, Fitness und Umweltbedingungen des Benutzers sammeln. Prozessoren ermöglichen ihnen hingegen, Berechnungen durchzuführen und ihre vorgesehenen Aufgaben zu erledigen. 

Diese Geräte sind zudem so konzipiert, dass sie über drahtlose Technologien mit anderen Geräten kommunizieren können, wodurch sie Daten synchronisieren und über eine App auf zusätzliche Funktionen zugreifen können.

Wearable‑Technologie hat verschiedene Anwendungsfälle, wie Navigation, interaktive Spiele, Effizienzsteigerung und kontaktlose Zahlungen, um das Gesamterlebnis der Nutzer zu verbessern. 

Eine kritische Anwendung von Wearables im realen Leben, auf die wir uns heute konzentrieren, ist die Medizin und das Gesundheitswesen. Wearable‑Gesundheitsgeräte lassen sich tatsächlich in zwei breite Kategorien einteilen: Consumer‑Grade‑Wearables und Medical‑Grade‑Wearables. 

Consumer‑Grade‑Wearables wie Uhren, Kleidung und Ringe ermöglichen es den Nutzern, ihre Gesundheit und Fitness zu überwachen, indem sie Kennzahlen wie zurückgelegte Schritte, verbrannte Kalorien, Herzfrequenz, Sauerstoffsättigung und Schlafmuster verfolgen. Der Echtzeitzugriff auf wertvolle Daten erlaubt es den Nutzern, besser für sich selbst zu sorgen. 

Medical‑Grade‑Wearables hingegen umfassen Blutdruckmessgeräte, EKG‑Monitore, Biosensoren und Glukosemessgeräte, die immer beliebter werden, weil sie den Nutzern wertvolle Daten zur Verwaltung chronischer Krankheiten liefern. Indem Patienten die Möglichkeit erhalten, ihre eigenen Gesundheitsdaten zu sammeln, darauf zuzugreifen und sie zu melden, eliminiert diese Technologie die Notwendigkeit persönlicher Termine. 

Diese Geräte bieten Gesundheitsfachkräften zudem in Echtzeit umsetzbare Erkenntnisse, die auch remote verfügbar sind, und helfen ihnen, individuellere Behandlungen zu bieten. Interessanterweise könnten wir bald sogar unsere einfachen Smartphones als Glukometer verwenden.

Angesichts der enormen Vorteile von Wearable‑Technologie gibt es eine boomende Nachfrage nach intelligenten tragbaren Gesundheitsgeräten, die voraussichtlich $70 Milliarden wert sein in den nächsten vier Jahren. 

Consumer‑Grade‑Wearables machen den größten Anteil der Wearables aus, weil sie leichter verfügbar und zugänglich sind und natürlich die weite Verfügbarkeit von Smartphones, die eine einfache Datenverwaltung ermöglichen. Medical‑Grade‑Wearables hingegen müssen klinische Forschung durchlaufen und von den zuständigen Regierungsbehörden die Zulassung erhalten, um Daten für klinische Entscheidungen zu sammeln. 

Wearable‑Ultraschall‑Innovation revolutioniert das Gesundheitswesen

Mit all dieser Aufregung und Entwicklung rund um Wearables haben Forscher ein wearable Ultraschallgerät entwickelt, das die drahtlose Überwachung der Muskelaktivität ermöglicht. Diese neue Technologie hat potenzielle Anwendungen im Gesundheitswesen und in Mensch‑Maschine‑Schnittstellen. 

Wearable‑Elektromyographie‑(EMG‑)Geräte können bereits Muskelaktivität identifizieren, um die Gesundheit zu überwachen und Körperbewegungen zu verfolgen. Dieser Ansatz ist jedoch recht begrenzt, da EMG‑Signale eine niedrige räumliche Auflösung, Stabilität und ein geringes Signal‑zu‑Rausch‑Verhältnis aufweisen. 

EMG‑Signale mehrerer Muskelfasern neigen zudem dazu, sich zu vermischen, was es erschwert, die Beiträge der einzelnen Muskelfaser zu isolieren. 

Ganz zu schweigen davon, dass sie während normaler Muskelaktivität intrinsisch schwach sind. Um dies auszugleichen, müssen große Elektroden auf die Haut aufgebracht werden, um elektrische Muskelaktivität zu erfassen, was die räumliche Auflösung reduziert.

Eine vielversprechende Alternative zu diesem klinischen Standard ist die Echomyographie (EcMG), die Muskelbewegungen mittels Ultraschallwellen erkennen kann. Ultraschall dringt schließlich tief in Gewebe ein und liefert hochauflösende Bilder, die detaillierte Einblicke in die Muskelfunktion bieten. 

Obwohl sie sicher, vielseitig und zugänglich ist, besteht das Problem bei EcMG darin, dass sie auf sperrige und komplexe Transducer‑Arrays angewiesen ist. Diese schränken nicht nur die Mobilität des Nutzers ein, sondern verbrauchen auch viel Energie.

Ingenieure der University of California San Diego haben daher, unterstützt vom National Institutes of Health, ein vollständig integriertes tragbares Echomyographie‑System entwickelt. 

Sheng Xu, Professor und Jacobs Faculty Scholar im Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and NanoEngineering an der UC San Diego, der diese Studie leitete, hatte bereits zuvor solche Ultraschall‑Patches berichtet.

Im letzten Jahr meldete das Team die drahtlose Fähigkeit dieses Patches. Das Schlüsselelement dieser Studie war das Ultraschall‑Schaltungsdesign. 

In diesem vorherigen Gerät ersetzte das Team das flexible Kabel, das mit der Ultraschallsonde verbunden war, und nutzte es für Datenübertragung und Stromversorgung.

“(Dieser Schaltkreis) kann die Ultraschalldaten vorverarbeiten und drahtlos an eine Backend‑Station zur weiteren Analyse senden.”

– Xu sagte zu diesem Zeitpunkt

Der Fokus der vorherigen Studie lag auf kardiovaskulärer Gesundheit, und der Machine‑Learning‑Algorithmus verarbeitete die Signale automatisch und verfolgte kontinuierlich die Halsschlagader, sodass das Team Ultraschallinformationen erhielt, selbst wenn der Träger des Patches in Bewegung war. 

“Dieser automatische Verfolgungs‑Algorithmus bietet beispiellose Möglichkeiten für die medizinische Ultraschall‑Bildgebung und die Trainingsphysiologie.”

– Muyang Lin, Hauptautor und Doktorand im Xu‑Labor

Das Team validierte ihr KI‑Modell an zehn gesunden Probanden aus drei verschiedenen ethnischen Gruppen, und der nächste Schritt bestand darin, den Patch in einer größeren Population zu testen. Laut Lin:

“Mit dieser Art von Gerät hoffen wir, die Grenze zwischen häuslicher Pflege und stationärer Diagnose zu verwischen. Wir sehen eine Zukunft, in der Diagnosen jederzeit und überall stattfinden können, ermöglicht durch drahtlose Geräte wie dieses.”

Während der Patch für die Überwachung kardiovaskulärer Funktionen evaluiert wurde, könnte er auch am Abdomen und an den Gliedmaßen zur Überwachung des Zwerchfells bzw. peripherer Arterien eingesetzt werden, was im neuesten Studium zielgerichtet war. Vor einigen Monaten demonstrierte Xinyi Yang aus Xus Labor dass der tragbare Ultraschall‑Patch komfortabel auf der Schläfe getragen werden kann, um 3D‑Daten zum zerebralen Blutfluss zu liefern.

Das Potenzial der Mensch‑Maschine‑Interaktion freischalten

Jetzt bestand die Hauptinnovation der neuesten Forschung darin, den einzelnen Ultraschall‑Transducer zu nutzen, um tiefere Probleme effektiver zu erfassen.

Der weiche Ultraschall‑Patch ist hier in einem flexiblen Silikon‑Elastomer‑Gehäuse eingeschlossen und umfasst drei Hauptelemente – einen einzelnen Transducer zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen, eine maßgeschneiderte drahtlose Schaltung zur Datenverarbeitung und Steuerung des Transducers sowie eine an Bord befindliche Lithium‑Polymer‑Batterie, die das System mindestens drei Stunden mit Strom versorgt.

Der einzelne Ultraschall‑Transducer, die Hauptinnovation, emittiert Ultraschallwellen kontrollierter Intensität und erfasst hochfrequente Funksignale, die Informationen tragen. Dies ermöglicht klinische Anwendungen wie die Messung der Zwerchfell‑Dicke. 

Das Gerät nutzt diese Signale, um eine hohe räumliche Auflösung zu erreichen, was wichtig ist, um spezifische Muskelbewegungen zu isolieren. Ein maßgeschneiderter Deep‑Learning‑Algorithmus half den Forschern gleichzeitig, zusätzliche Erkenntnisse aus diesen Signalen zu extrahieren.

Der KI‑Algorithmus ordnet die Signale ihren entsprechenden Muskelverteilungen zu und ermöglicht so die präzise Erkennung bestimmter Bewegungen aus den gesammelten Signalen.

Das batteriebetriebene Gerät kann mit einer Schicht Klebstoff an die Haut angebracht werden, um eine genaue langfristige drahtlose Muskelüberwachung zu gewährleisten.

“Diese Technologie könnte potenziell von Personen im Alltag getragen werden, um eine kontinuierliche, langfristige Überwachung zu ermöglichen.”

– Co‑Autor Xiangjun Chen, Doktorand im Fachbereich Materials Science and Engineering an der UC San Diego

Um zu demonstrieren, was das Gerät leisten kann, nutzte das Team seinen Patch, um Zwerchfell‑Aktivität zu erfassen, was die Erkennung verschiedener Atemmodi ermöglicht. Sie stellten fest, dass ihr tragbares Ein‑Transducer‑Echomyographie‑System tatsächlich verschiedene Atemmuster verfolgen und erkennen kann, indem es die Zwerchfell‑Aktivität mit sub‑millimetergenauer Auflösung verfolgt.

Während des Gerätetests wurde es über dem Brustkorb getragen, um die Dicke und Bewegung des Zwerchfells zu überwachen, was zur Beurteilung der Atemgesundheit beiträgt.

Die Dicke wird verwendet, um Zwerchfell‑Dysfunktion zu bewerten und Prognosen für beatmete Patienten zu erstellen. Durch die Analyse der Muskelbewegung können verschiedene Atemmuster erkannt werden, was bei der Diagnose von Atemirregularitäten wie Pneumonie, Asthma und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) helfen kann.  

In einer kleinen Studiengruppe unterschied das Gerät erfolgreich die Atemmuster gesunder Personen von denen mit COPD, was das Potenzial des Geräts in der Atemwegsversorgung demonstriert.

“Durch die Verfolgung der Zwerchfell‑Aktivität könnte die Technologie potenziell Patienten mit Atemwegserkrankungen und solchen, die auf mechanische Beatmung angewiesen sind, unterstützen.”

– Studien‑Co‑Autor Joseph Wang, Professor im Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering

Das Gerät wurde anschließend am Unterarm eingesetzt, um Hand‑ und Handgelenkmuskelaktivität zu erfassen. Es stellte sich heraus, dass Handgesten erfolgreich aus den ein‑kanaligen hochfrequenten Ultraschall‑Signalen erkannt werden konnten, die von den Unterarmmuskeln erfasst werden. 

Der maßgeschneiderte Deep‑Learning‑Algorithmus ermöglichte dem Team, verschiedene Handgesten genauer allein aus Ultraschall‑Signalen zu erkennen. Insgesamt wurden 13 Handgelenk‑Gelenke mit einem mittleren Fehler von nur 7,9° erkannt.

Diese Bewegungserkennung umfasste zehn Fingergelenke und drei Rotationswinkel des Handgelenks, was zeigt, dass das System selbst kleinste Finger‑ und Handgelenksbewegungen mit hoher Empfindlichkeit erfassen kann. Dieser Test demonstriert das Potenzial des Geräts als Mensch‑Maschine‑Schnittstelle, um ein virtuelles Spiel zu spielen oder einen Roboterarm zu steuern.

Laut Studien‑Co‑Autor Wentong Yue, Doktorand im selben Fachbereich der UC San Diego:

“Diese Demonstrationen unterstreichen das Potenzial der Technologie für Prothesen, Gaming und andere Anwendungen von Mensch‑Maschine‑Schnittstellen.”

In den nächsten Schritten werden die Forscher versuchen, die Energieeffizienz, Portabilität, Genauigkeit und Rechenfähigkeiten der Technologie weiter zu verbessern.

Der Aufstieg tragbarer Ultraschall‑Geräte eröffnet die Zukunft der Medizin

Tragbarer Ultraschall ist ein medizinischer Durchbruch, der das Gesundheitswesen revolutionieren kann. Diese Entwicklung läuft jedoch bereits seit einiger Zeit. Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler verschiedene Herausforderungen gemeistert und unterschiedliche tragbare Ultraschall‑Geräte entwickelt, um die Fernüberwachung kritischer physiologischer Funktionen von Patienten zu verbessern.

Quelle: Wiley Online Library

Anfang dieses Jahres entdeckten die Forscher ein flüssiges Metall, um das Problem der akustischen Impedanz bei Ultraschallsystemen zu überwinden, die auf Transducer angewiesen sind. Üblicherweise wird dieses Problem mit Hilfe von Anpassungsschichten gelöst, doch die meisten dafür verwendeten Materialien waren für tragbare Geräte zu starr.

Um eine konformer, aber funktionale Anpassungsschicht zu entwerfen, nutzten die Forscher verschiedene Größen und Volumina von gallium‑basierten Tröpfchen in weichem Silikon. Durch die Sättigung des Silikons mit etwa 70 % der Tröpfchen verbesserte die resultierende Dichte der Anpassungsschicht ihre akustische Impedanz um über 400 %. Bei Dehnung, ähnlich dem, was die Schicht in einem Wearable‑Gerät aushalten muss, sank die Impedanz nur um 13 %.

Das Team integrierte anschließend seine dehnbare Anpassungsschicht in einen tragbaren Ultraschall‑Prototyp, der die simulierte Bewegung erfolgreich registrierte und damit sein Potenzial als Diagnostik‑Gerät demonstrierte.

Vor einigen Jahren entwickelte ein von den NIH gefördertes Forschungsteam unter Leitung von Dr. Xuanhe Zhao am MIT ebenfalls einen tragbaren Ultraschall‑Patch, etwa so groß wie eine dicke Briefmarke, der sowohl auf trockener als auch auf nasser Haut haftet. 

Bei Tests stellte man fest, dass der Patch mindestens 48 Stunden komfortabel getragen werden kann und kontinuierliche Bildgebung von Muskeln, Blutgefäßen, Herz, Zwerchfell, Lunge oder Magen ermöglicht. Allerdings musste der Patch an Computersysteme angeschlossen werden, um intensive Datenverarbeitung zu ermöglichen. Wie wir jedoch gesehen haben, konzentriert sich die neueste Weiterentwicklung darauf, diese Einschränkungen zu beseitigen und das System effektiver zu machen.

“Wir stellen uns einige Patches vor, die an verschiedenen Körperstellen haften und mit Ihrem Handy kommunizieren, wobei KI‑Algorithmen die Bilder bei Bedarf analysieren.”

– Zhao sagte zu diesem Zeitpunkt

Dies wird nun allmählich Realität, wobei das schottische Health‑Tech‑Unternehmen Novosound sichert Anfang dieses Jahres ein Patent für seinen tragbaren Ultraschall. Das Gerät, das kontinuierlich den Blutfluss und den Druck des Patienten überwacht, wird am Körper befestigt, um Bilder auf mobilen Geräten zu erzeugen.

“Damit können wir die Technologie mit Smartwatch‑Partnern integrieren und lizenzieren, tiefer in den Körper blicken und die Messungen ihrer optischen und elektrischen Sensoren verbessern – das lang ersehnte Ziel einer 24/7‑Blutdrucküberwachung am Handgelenk wird greifbar.”

– Novosound‑CEO und Mitbegründer Dr. Dave Hughes

Das Patent gibt dem Unternehmen nicht nur exklusive Rechte zum Verkauf der Technologie und zu Pilotprojekten mit großen Institutionen, sondern auch Forschungs‑ und Entwicklungsverträge für Verbraucher‑Digital‑Health‑Anwendungen. Novosound hat bereits mit dem Texas Medical Center zusammengearbeitet, um Anwendungsfälle für seine Ultraschall‑Wearables zu entwickeln.

Relevante Unternehmen im Bereich Healthcare‑Wearables

Wearable‑Technologie ist ein wachsender Sektor, der das Interesse von Technologieriesen wie Apple (AAPL ), die über ihre Consumer‑Grade‑Wearable‑Apple‑Watch Gesundheitsanwendungen erforschen, erregt hat.

Wir werden jedoch uns auf Unternehmen konzentrieren, die aktiv im medizinischen Bereich tätig sind; hier sind zwei prominente Namen, die potenziell von Innovationen wie tragbarem Ultraschall profitieren können.

1. Medtronic

Ein globaler Marktführer für Medizinprodukte, die Medtronic Public Limited Company, bietet ein breites Spektrum an Gesundheitstechnologielösungen und erforscht Wearables für Diagnostik und Gesundheitsüberwachung, einschließlich Fernlösungen.

Im Jahr 2022 ging eine Partnerschaft mit BioIntelliSense für den BioButton‑Wearable ein, der bis zu 1.440 Vital‑Messungen pro Tag erfasst, darunter Ruhe‑Herzfrequenz, Hauttemperatur und Ruhe‑Atemfrequenz. In diesem Jahr fokussiert sich das Unternehmen auf KI und fordert jede Abteilung auf, Ideen zu entwickeln, wie die Technologie die Produktivität steigern kann.

Mit einer Marktkapitalisierung von 115,56 Mrd. $ notieren sich die Medtronic‑Aktien derzeit bei 90,11 $, ein Plus von 9,38 % in diesem Jahr. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 2,97 und ein KGV (TTM) von 30,31 auf und zahlt eine Dividendenrendite von 3,11 %.

Für das erste Quartal des Geschäftsjahres 2025, das am 26. Juli 2024 endete, meldete Medtronic einen Umsatz von 7,9 Mrd. $, ein Anstieg von 2,8 %. „Unsere zugrunde liegenden Märkte sind gesund, wir treiben operative Strenge voran und neue Produktinnovationen befeuern ein diversifiziertes Wachstum in Schlüssel‑Health‑Tech‑Märkten“, sagte CEO Geoff Martha.

Im selben Quartal sprang der Umsatz des kardiovaskulären Portfolios um 5,5 % auf 3 Mrd. $, der Umsatz des Neurowissenschafts‑Portfolios stieg um 4,4 % auf 2,3 Mrd. $, und das Diabetes‑Segment wuchs um 11,8 % auf 647 Mio. $, während der Umsatz des medizinisch‑chirurgischen Portfolios um 0,4 % auf 1,996 Mrd. $ sank.

2. GE HealthCare Technologies

Dies ist ein Medizintechnikunternehmen, das neben Bildgebung innovative Ultraschall‑Lösungen, Pharmaceutical Diagnostics (PDx) und Patient Care Solutions (PCS) anbietet. Aufgrund des Fokus auf Ultraschall‑Lösungen könnte GE HealthCare tragbare Fortschritte für die diagnostische Bildgebung integrieren.

In diesem Jahr kooperiert GE HealthCare mit Biofourmis, um die Reichweite der Patienten‑Monitoring‑Technologie in die Häuser der Patienten zu erweitern. Biofourmis ist eine virtuelle Spezial‑Care‑Plattform, die KI‑Algorithmen kombiniert, um Werkzeuge zur Fernüberwachung akuter und postakuter Patienten bereitzustellen.

Vor einigen Jahren führte GE HealthCare drahtlose, tragbare Sensoren für Patienten ein, die während ihres Krankenhausaufenthalts getragen werden können, sodass Kliniker Vitalparameter verfolgen können, ohne regelmäßige Kontrollen durchführen zu müssen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 39,64 Mrd. $ notieren sich die GE HealthCare‑Aktien derzeit bei 86,78,11 $, ein Plus von 12,23 % in diesem Jahr. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 3,65 und ein KGV (TTM) von 23,77 auf und zahlt eine Dividendenrendite von 0,14 %.

Für das dritte Quartal 2024 meldete GE HealthCare einen Umsatz von 4,9 Mrd. $, ein Anstieg von 1 % gegenüber dem Vorjahr, wobei das positive Umsatzwachstum in den USA durch anhaltende Marktschwäche in China ausgeglichen wurde. Der Nettogewinn betrug 470 Mio. $, der operative Cashflow 742 Mio. $ und der freie Cashflow 651 Mio. $.

“Laufende schlanke Initiativen im gesamten Unternehmen liefern mehr Wert für Patienten und Kunden und haben zu einer robusten Margensteigerung geführt.”

– CEO Peter Arduini

Fazit 

Im Gesundheitswesen spielt Ultraschall eine Schlüsselrolle, indem er Klinikern ermöglicht, in unseren Körper zu blicken, um Krankheiten zu diagnostizieren und die Gesundheit zu überwachen. Daher sind Forscher daran interessiert, diese nicht‑invasive Technik in tragbare Geräte zu integrieren.

Wie wir mit der neuesten Forschung gesehen haben, kann der vielseitige tragbare Ultraschall‑Patch hochauflösende Bilder interner Gewebe unterwegs für diverse klinische und diagnostische Anwendungen liefern und damit eine neue Ära der personalisierten Gesundheitsversorgung einläuten. 

Insgesamt sind Wearables die Zukunft des Gesundheitswesens, obwohl Bedenken hinsichtlich der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Sensoren sowie der Batterielaufzeit angegangen werden müssen, und ein besserer Zugang zu Analyse‑Tools bereitgestellt werden sollte, um die vollen Vorteile der Technologie zu nutzen!

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