Seuraava aalto wearablessa: Älykkäämpi diagnostinen terveydenhuolto ultraäänisiteitä hyödyntäen

Kannettava teknologia, tai ‘wearables’, on saanut paljon huomiota sekä kehityksen että käytön osalta. 

Nämä elektroniset laitteet on suunniteltu käytettäväksi käyttäjän kehon lisävarusteina. Ne voidaan jopa istuttaa tai upottaa vaatteisiin. Itse asiassa, kuten jaoimme, tutkijat saivat äskettäin läpimurron kannettavassa teknologiassa, mahdollistaen tekstiilien luomisen, jotka reagoivat liikkeeseen ja lämpötilaan. Kuinka jännittävää se on!

Mutta miten wearables saavuttavat sen? No, ne on varustettu sensoreilla keräämään käyttäjän terveyteen, kuntoon ja ympäristöolosuhteisiin liittyviä tietoja. Prosessorit puolestaan mahdollistavat niiden käsitellä laskentaa ja suorittaa suunnitellut tehtävänsä. 

Nämä laitteet on lisäksi suunniteltu kommunikoimaan muiden laitteiden kanssa langattomien teknologioiden avulla, mikä mahdollistaa tietojen synkronoinnin ja lisäominaisuuksien käyttämisen sovelluksen kautta.

Kannettavalla teknologialla on useita käyttötapauksia, kuten navigointi, interaktiivinen pelaaminen, tehokkuuden parantaminen ja kosketuksettomien maksujen mahdollistaminen, muiden muassa, parantaen kokonaisvaltaista käyttäjäkokemusta. 

Keskeinen todellinen sovellus wearablesille, johon keskitymme tänään, on lääketiede ja terveydenhuolto. Kannettavat terveydenhuoltolaitteet jakautuvat itse asiassa kahteen laajaan kategoriaan: kuluttajatasoiset wearables ja lääketieteelliset wearables. 

Kuluttajatasoiset wearables, kuten kellot, vaatteet ja sormukset, mahdollistavat käyttäjien seurata terveyttään ja kuntoaan pitämällä kirjaa mittareista kuten käveltyjen askelten määrä, kulutetut kalorit, syke, happipitoisuus ja unikaavat. Reaaliaikainen pääsy arvokkaisiin tietoihin antaa käyttäjille mahdollisuuden huolehtia itsestään paremmin. 

Lääketieteelliset wearables puolestaan sisältävät verenpaineen mittarit, EKG-mittarit, biosensorit ja glukoosimittarit, jotka yleistyvät tarjoamaan käyttäjille arvokasta dataa kroonisten sairauksien hallintaan. Antamalla potilaille mahdollisuuden kerätä ja käyttää omia terveysdatajaan ja raportoida ne, tämä teknologia poistaa tarvetta henkilökohtaisille tapaamisille. 

Nämä laitteet tarjoavat myös terveydenhuollon ammattilaisille toimivia oivalluksia reaaliajassa, jotka ovat myös etäkäytettävissä, ja auttavat heitä tarjoamaan henkilökohtaisempia hoitoja. Mielenkiintoista on, että voimme pian jopa käyttää tavallisia älypuhelimiamme glukoosimittareina.

Kun otetaan huomioon kannettavan teknologian valtavat hyödyt, älykkäiden kannettavien terveyslaitteiden kysyntä on räjähdysmäinen, ja niiden odotetaan olevan arvoltaan 70 miljardia dollaria seuraavien neljän vuoden aikana. 

Kuluttajatasoiset wearables muodostavat suurimman osan wearables-markkinasta niiden lisääntyneen saatavuuden ja saavutettavuuden sekä tietenkin älypuhelimien laajan käytön ansiosta, jotka mahdollistavat helpon tietojen hallinnan. Lääketieteelliset wearables puolestaan täytyy käydä läpi kliinistä tutkimusta ja saada asianmukaisten viranomaisten hyväksyntä kerätäkseen dataa kliiniseen päätöksentekoon. 

Kannettavan ultraäänin innovaatio mullistamassa terveydenhuoltoa

Kaiken tämän innostuksen ja kehityksen keskellä wearablesien ympärillä tutkijat ovat kehittäneet kannettavan ultraäänilaitteen, joka suorittaa langatonta lihasaktiivisuuden seurantaa. Tämä uusi teknologia tarjoaa mahdollisia sovelluksia terveydenhuollossa ja ihmisen ja koneen käyttöliittymissä. 

Kannettavat elektromyografia (EMG) -laitteet pystyvät jo tunnistamaan lihasaktiivisuutta terveyden seurantaan ja kehon liikkeiden seuraamiseen. Kuitenkin tämä lähestymistapa on melko rajoittunut, koska EMG-signaaleilla on alhainen spatiaalinen resoluutio, vakaus ja heikko signaali-kohinasuhde. 

EMG-signaalit useista lihassyistä sekoittuvat myös, mikä vaikeuttaa tietyn lihassyän kontribuution eristämistä. 

Lisäksi ne ovat luontaisesti heikkoja normaalin lihasaktiivisuuden aikana. Korjatakseen tämän, suuriin elektrodeihin täytyy kiinnittää ihoon sähköisen lihasaktiivisuuden tallentamiseksi, mikä heikentää spatiaalista resoluutiota.

Lupaava vaihtoehto tälle kliiniselle standardille on ekkomyografia (EcMG), joka voi havaita lihasliikettä ultraääniaalloilla. Ultraääni läpäisee syviä kudoksia tarjoten korkean resoluution kuvantamista, antaen yksityiskohtaisia näkemyksiä lihasfunktion. 

Vaikka se on turvallinen, monipuolinen ja helposti saavutettavissa, EcMG:n ongelma on, että se perustuu kömpelöihin ja monimutkaisiin transduseriarrays. Ne rajoittavat käyttäjän liikkumavapautta ja kuluttavat paljon virtaa.

Siksi Kalifornian yliopiston San Diegon insinöörit, NIH:n tuella, kehittivät täysin integroidun kannettavan ekkomyografiajärjestelmän. 

Sheng Xu, professori ja Jacobs Faculty Scholar Aiiso Yufeng Li -perheen kemian ja nanotekniikan laitoksessa UC San Diegossa, joka johti tätä tutkimusta, on aiemmin raportoitu tällaisista ultraäänisiteistä.

Viime vuonna tiimi raportoi saavuttaneensa langattoman kyvyn tässä siteessä. Tämän tutkimuksen keskeinen elementti oli sen ultraäänipiirisuunnittelu. 

Tässä aikaisemmassa laitteessa tiimi korvasi ultraääniproben joustavan kaapelin ja käytti sitä tiedonsiirtoon ja virransyöttöön.

“(Tämä piiri) voi esikäsitellä ja langattomasti lähettää ultraäänidatan taustajärjestelmään jatkoanalyysiä varten.”

– Xu sanoi silloin

Viimeisen tutkimuksen fokus oli sydän- ja verisuoniterveydessä, ja koneoppimisalgoritmi käsitteli automaattisesti signaaleja ja seurasi jatkuvasti kaulavaltimoa, mahdollistaen tiimille ultraäänitiedon saamisen myös silloin, kun siteen käyttäjä liikkui.

“Tämä automaattinen seurantaa algoritmi tarjoaa ennennäkemättömiä mahdollisuuksia lääketieteelliselle ultraäänikuvaukselle ja liikuntafysiologialle.”

– Muyang Lin, pääkirjoittaja ja tohtoriopiskelija Xu’n laboratoriossa

Tiimi ristiinvalidoi AI-mallinsa kymmenen terveen henkilön välillä kolmesta eri etnisestä ryhmästä, ja seuraava askel sisälsi siteen validoinnin suuremmassa populaatiossa. Linin mukaan:

“Tämänkaltaisella laitteella toivomme hämärtävän kotona tapahtuvan hoidon ja sairaalassa tehtävän diagnoosin välistä raja-aitaa. Näemme tulevaisuuden, jossa diagnoosit voivat tapahtua milloin tahansa ja missä tahansa, langattomien laitteiden mahdollistamana.”

Vaikka siteä arvioitiin sydän- ja verisuonitoimintojen seurantaan, sitä voitaisiin myös soveltaa vatsaan ja raajoihin diafragma- ja perifeeristen valtimoiden seurantaan, jotka olivat kohteena viimeisimmässä tutkimuksessa. Muutama kuukausi sitten Xinyi Yang Xu’n laboratoriosta demonstrated että kannettavaa ultraäänisiteitä voidaan myös mukavasti pitää otsan alueella tarjoten 3D-dataa aivojen verenvirtauksesta.

Ihmisen ja koneen vuorovaikutuksen potentiaalin avaus

Nyt viimeisimmän tutkimuksen pääinnovaatio oli yhden ultraäänitransduserin käyttö syvien ongelmien havaitsemiseen tehokkaammin.

Tämä pehmeä ultraääniside on suljettu joustavaan silikonielastomeerikoteloon ja sisältää kolme pääelementtiä—a yhden transduserin ultraääniaaltojen lähettämiseen ja vastaanottamiseen, räätälöidyn langattoman piirin tiedon käsittelyyn ja transduserin ohjaamiseen, sekä sisäänrakennetun litium-polymeeriakun, joka virvoittaa järjestelmää vähintään kolme tuntia.

Yksi ultraäänitransduseri, joka on pääinnovaatio, lähettää hallitun intensiteetin ultraääniaaltoja ja tallentaa radiotaajuussignaaleja, jotka kantavat tietoa. Tämä mahdollistaa kliinisiä sovelluksia, kuten keuhkopussin paksuuden mittaamisen. 

Laite käyttää näitä signaaleja saavuttaakseen korkean spatiaalisen resoluution, mikä on tärkeää tiettyjen lihasliikkeiden eristämisessä. Räätälöity syväoppimisalgoritmi puolestaan auttoi tutkijoita saamaan lisäoivalluksia näistä signaaleista.

AI-algoritmi kartoittaa signaalit niiden vastaaviin lihasjakaumiin, mahdollistaen tarkkaan tiettyjen liikkeiden havaitsemisen kerätyistä signaaleista.

Akun voimalla toimiva laite voidaan kiinnittää ihoon liimakerroksen avulla tarkkaa pitkäaikaista langatonta lihasseurantaa varten.

“Tätä teknologiaa voitaisiin mahdollisesti käyttää henkilöiden päivittäisissä rutiineissa jatkuvaan, pitkäaikaiseen seurantaan.”

– Co-author Xiangjun Chen, a Ph.D candidate in the Materials Science and Engineering program at UC San Diego

Demonstroidakseen saavutuksia tiimi käytti laitettaan havaitsemaan keuhkopussin aktiivisuutta, mikä mahdollistaa erilaisten hengitystapojen tunnistamisen. He havaitsivat, että heidän kannettava yksittäinen transduseri ekkomyografiajärjestelmänsä pystyy todellakin seuraamaan ja havaitsemaan erilaisia hengitysmalleja seuraamalla keuhkopussin toimintaa alamilimetrin tarkkuudella.

Laitteen testauksen aikana se kiinnitettiin kylkiluun ympärille seuratakseen keuhkopussin paksuutta ja liikettä, mikä auttaa arvioimaan hengitysterveyttä.

Paksuutta käytetään keuhkopussin toimintahäiriön arviointiin ja ennustamaan tuloksia ventiloiduilla potilailla. Analysoimalla lihasliikettä voidaan havaita erilaisia hengitysmalleja, mikä voi auttaa diagnosoimaan hengityksen epäsäännöllisyyksiin liittyviä sairauksia, kuten keuhkokuume, astma ja krooninen obstruktiivinen keuhkosairaus (COPD).  

Pienessä ryhmäkokeessa laite onnistui erottamaan terveiden ja COPD-potilaiden hengitysmallit, osoittaen laitteen potentiaalin hengityshoidoissa.

“Seuraamalla keuhkopussin aktiivisuutta teknologia voisi mahdollisesti tukea hengityssairauksista kärsiviä potilaita ja mekaanista ventilointia tarvitsevia.”

– Tutkimuksen co-author Joseph Wang, professori Aiiso Yufeng Li -perheen kemian ja nanotekniikan laitoksessa

Laite otettiin sitten käyttöön kyynärvarressa havaitsemaan käden ja ranteen lihasaktiivisuutta. Se onnistui tunnistamaan käden eleitä yksikanavaisista radiotaajuus ultraäänisignaaleista, jotka havaitaan kyynärvarren lihaksista. 

Räätälöity syväoppimisalgoritmi mahdollisti tiimille erilaisten käden eleiden tarkemman havaitsemisen pelkästään ultraäänisignaaleista. Yhteensä 13 käden nivelä raportoitiin tunnistettaviksi keskimääräisellä virheellä vain 7,9°.

Tämä liikkeen havaitseminen sisälsi kymmenen sormen nivelä ja kolme ranteen kiertokulmaa, mikä osoittaa, että järjestelmä pystyy tallentamaan jopa hienovaraiset sormen ja ranteen liikkeet korkealla herkkyydellä. Tämä erityistesti havainnollistaa laitteen potentiaalia ihmisen ja koneen käyttöliittymänä virtuaalipelin pelaamiseen tai robottikäsivarren ohjaamiseen.

UC San Diegon saman osaston tohtoriopiskelija Wentong Yue, tutkimuksen co-author, totesi:

“Nämä demonstraatiot korostavat teknologian potentiaalia proteeseissa, pelaamisessa ja muissa ihmisen ja koneen käyttöliittymä sovelluksissa.”

Nyt seuraavissa vaiheissa tutkijat pyrkivät edelleen parantamaan teknologian energiatehokkuutta, kannettavuutta, tarkkuutta ja laskentakykyjä.

Kannettavien ultraäänien nousu avaa lääketieteen tulevaisuuden

Kannettava ultraääni on lääketieteellinen läpimurto, joka voi mullistaa terveydenhuollon. Tämä edistys on kuitenkin ollut käynnissä jo jonkin aikaa. Vuosien varrella tiedemiehet ovat ratkaisseet erilaisia haasteita ja kehittäneet erilaisia kannettavia ultraääniä parempaan etäseurantaan potilaan kriittisistä fysiologisista toiminnoista.

Lähde: Wiley Online Library

Aikaisemmin tänä vuonna tutkijat löysivät nestemäisen metallin ratkaistakseen akustisen impedanssin ongelman ultraäänijärjestelmissä, jotka perustuvat transduseriin. Yleensä tämä ongelma ratkaistaan sovituskerrosten avulla, mutta suurin osa tähän käytetyistä materiaaleista on ollut liian jäykkä kannettaville laitteille.

Suunnitellakseen paremmin muotoutuvan mutta toimivan sovituskerroksen, tutkijat käyttivät erilaisia kokoja ja määriä galliumipohjaisia pisaroita pehmeässä silikonissa. Kyllästämällä silikonia noin 70 % pisaroista, syntynyt sovituskerroksen tiheys paransi akustista impedanssia yli 400 %. Kun kerros venytettiin, aivan kuten se saattaa kokea kannettavan laitteen osana, impedanssi väheni vain 13 %.

Tiimi integroi sitten venyvän sovituskerroksensa kannettavaan ultraääniprototyyppiin, joka onnistui rekisteröimään simuloidun liikkeen, osoittaen potentiaalinsa diagnostisena laitteena.

Muutama vuosi sitten NIH:n rahoittama tutkimusryhmä, jota johti tohtori Xuanhe Zhao MIT:ssä, kehitti myös kannettavan ultraäänisiteen, jonka koko on paksun postimerkin verran, ja joka tarttuu ihoon sekä kuiviin että märkiin ympäristöihin. 

Testattaessa siteä havaittiin, että se voidaan pitää mukavasti vähintään 48 tuntia ja se pystyi tarjoamaan jatkuvaa kuvantamista lihaksesta, verisuonista, sydämestä, keuhkopussista, keuhkoista tai mahalaukusta. Kuitenkin siteen täytyi liittää tietokonejärjestelmiin intensiivistä datankäsittelyä varten. Kuitenkin, kuten olemme nähneet, viimeisin edistys on keskittynyt poistamaan nämä rajoitukset samalla kun järjestelmää on tehnyt tehokkaammaksi.

“Kuvittelemme muutaman siteen kiinnittyvän eri kohtiin kehoa, ja siteet kommunikoivat puhelimeesi, jossa AI-algoritmit analysoivat kuvat pyynnöstä.”

– Zhao sanoi silloin

Tämä alkaa nyt tulla todellisuudeksi, Skotlannin terveydenhuollon teknologiayritys Novosound securing patentin kannettavalle ultraäänialustalleen aiemmin tänä vuonna. Laite, joka jatkuvasti seuraa potilaan verenvirtausta ja painetta, kiinnitetään kehoon tuottaen kuvia mobiililaitteille.

“Tämä mahdollistaa teknologian integroinnin ja lisensoinnin älykellukumppaneiden kanssa, katsellen syvemmin kehoon ja parantaen niiden optisten ja sähköisten antureiden mittauksia, avaten pyhän maljan 24/7 verenpaineen seurannalle ranteessa.”

– Novosoundin toimitusjohtaja ja perustaja tohtori Dave Hughes

Patentti ei ainoastaan anna yritykselle yksinoikeutta myydä teknologiaa ja pilotoida projekteja suurten instituutioiden kanssa, vaan myös sitoutua tutkimus- ja kehityssopimuksiin kuluttajille suunnattuihin digitaalisen terveyden sovelluksiin. Novosound on jo tehnyt yhteistyötä Texas Medical Centerin kanssa kehittääkseen käyttötapauksia ultraäänikannettavilleen.

Relevantit yritykset terveydenhuollon wearablesissa

Kannettava teknologia on kasvava sektori, joka on herättänyt teknologiajättien, kuten Apple (AAPL ), kiinnostuksen, jotka ovat tutkineet terveyssovelluksia kuluttajatasoisella Apple Watch -kellollaan. 

Me keskitymme kuitenkin yrityksiin, jotka ovat aktiivisesti mukana lääketieteellisellä alalla, joten tässä on kaksi merkittävää nimeä, jotka voivat mahdollisesti hyötyä innovaatioista kuten kannettavasta ultraäänestä.

1. Medtronic

Maailmanlaajuinen lääketieteellisten laitteiden johtaja, Medtronic Public Limited Company, tarjoaa laajan valikoiman terveydenhuollon teknologiaratkaisuja ja tutkii wearablesia diagnostiikkaan ja terveyden seurantaan, mukaan lukien etäratkaisut.

Vuonna 2022 Medtronic partnered BioIntelliSensen kanssa BioButton-wearableen, joka mittaa jopa 1 440 elintärkeää mittausta päivässä, mukaan lukien lepotilassa sykkeen, ihon lämpötilan ja lepotilassa hengitystiheyden. Tänä vuonna yritys on focused tekoälyyn, pyytäen jokaiselta osastolta ideoita teknologian hyödyntämiseksi tuottavuuden lisäämiseksi.

Markkina-arvolla 115,56 miljardia dollaria Medtronicin osakkeet kaupataan tällä hetkellä 90,11 dollaria, nousussa 9,38 % tänä vuonna. Tällä perusteella yhtiöllä on EPS (TTM) 2,97 ja P/E (TTM) 30,31 sekä osinkotuotto 3,11 %.

Ensimmäisen neljänneksen 2025 tilikaudelle, päättyen 26. heinäkuuta 2024, Medtronic reported liikevaihdon 7,9 miljardia dollaria, nousun 2,8 %. “Perusmarkkinamme ovat terveitä, ajamme operatiivista kurinalaisuutta, ja uusi tuoteinnovaatiot ruokkivat monipuolista kasvua keskeisillä terveys-teknologiamarkkinoilla,” sanoi toimitusjohtaja Geoff Martha.

Tänä neljänneksen aikana sen sydän- ja verisuoniosaston liikevaihto nousi 5,5 % 3 miljardiin dollariin, neurotieteen osaston liikevaihto kasvoi 4,4 % 2,3 miljardiin dollariin, ja diabetes-segmentti nousi 11,8 % 647 miljooniin dollariin, kun taas lääketieteellisen kirurgisen osaston liikevaihto laski 0,4 % 1,996 miljardiin dollariin.

2. GE HealthCare Technologies

Tämä on lääketieteellinen teknologiayritys, joka tarjoaa innovatiivisia ultraääniratkaisuja sekä kuvantamista, farmaseuttista diagnostiikkaa (PDx) että potilashoitoratkaisuja (PCS). Keskittyessään ultraääniratkaisuihin, GE HealthCare voi mahdollisesti integroida kannettavia edistysaskeleita diagnostiseen kuvantamiseen.

Tänä vuonna yritys on collaborating Biofourmisin kanssa laajentaakseen potilaan seurantateknologian saavutettavuutta koteihin. Biofourmis on virtuaalinen erikoissairaanhoitoalusta, joka yhdistää tekoälyalgoritmeja tarjotakseen työkaluja akuutin ja jälkihoidon potilaiden etäseurantaan.

Muutama vuosi sitten GE Healthcare myös rolled out langattomia, kannettavia antureita, jotka potilaat voivat käyttää sairaalassa oleskelunsa aikana, mahdollistaen kliinikoiden seurata elintoimintoja ilman säännöllisiä tarkastuksia.

Markkina-arvolla 39,64 miljardia dollaria GE HealthCare -osakkeet kaupataan tällä hetkellä 86,78.11 dollaria, nousussa 12,23 % tänä vuonna. Tällä perusteella yhtiöllä on EPS (TTM) 3,65 ja P/E (TTM) 23,77 sekä osinkotuotto 0,14 %.

Vuoden 2024 Q3:lle GE HealthCare reported liikevaihdon 4,9 miljardia dollaria, nousun 1 % vuosi vuodelta, samalla kun sen positiivinen liikevaihdon kasvu Yhdysvalloissa kompensoitui jatkuneella markkinalävistymisellä Kiinassa. Sen nettotulos oli 470 miljoonaa dollaria, ja operatiivinen kassavirta 742 miljoonaa dollaria, kun vapaa kassavirta oli 651 miljoonaa dollaria.

“Jatkuvat kustannustehokkaat aloitteet organisaation sisällä tuottavat parempaa arvoa potilaille ja asiakkaille, ja ovat johtaneet vahvaan marginaalin laajentumiseen.”

– CEO Peter Arduini

Yhteenveto 

Terveydenhuollossa ultraääni näyttelee keskeistä roolia, mahdollistaen kliinikoiden nähdä kehomme sisällä diagnosoidakseen sairauksia ja seuratakseen terveyttä. Siksi tutkijat ovat kiinnostuneita sisällyttämään tämän ei-invasiivisen tekniikan kannettaviin laitteisiin.

Kuten näimme viimeisimmässä tutkimuksessa, monipuolinen kannettava ultraääniside voi tarjota korkean tarkkuuden kuvantamista sisäisistä kudoksista liikkeellä ollessa monenlaisissa kliinisissä ja diagnostisissa sovelluksissa, avaten uuden aikakauden henkilökohtaiselle terveydenhuollolle. 

Kaiken kaikkiaan wearables ovat terveydenhuollon tulevaisuus, vaikka tarkkuuteen ja antureiden luotettavuuteen sekä akun kestoon liittyvät huolenaiheet on ratkaistava, ja parempaa pääsyä analytiikkatyökaluihin tulisi tarjota, jotta teknologian täysi potentiaali voidaan hyödyntää!

Klikkaa tästä saadaksesi luettelon parhaista kannettavista terveyden seuranta yrityksistä.