Seuraava aalto wearablessa: Älykkäämpi diagnostinen terveydenhuolto ultraäänisiteitä hyödyntäen

Puettava teknologia on kehittynyt nopeasti, ja sen käyttö on yleistynyt.

Puettavat elektroniset laitteet voidaan kiinnittää kehoon tai liittää vaatteisiin. Istutettavat laitteet ovat niistä erillinen, läheinen teknologian ryhmä. Kuten aiemmin kerroimme, tutkijat saivat äskettäin läpimurron kannettavassa teknologiassa ja kehittivät tekstiilejä, jotka reagoivat liikkeeseen ja lämpötilaan.

Puettavissa laitteissa on antureita, jotka keräävät esimerkiksi terveyteen, liikuntaan tai ympäristöön liittyviä tietoja. Prosessorit käsittelevät mittauksia ja ohjaavat laitteen toimintaa.

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

Puettavaa teknologiaa käytetään muun muassa navigointiin, pelaamiseen, työskentelyn tukemiseen ja lähimaksuihin.

Tässä artikkelissa tarkastelemme puettavan teknologian lääketieteellisiä sovelluksia. Terveyden seurantaan tarkoitettuja puettavia laitteita voidaan tarkastella kuluttajalaitteina ja lääkinnällisinä laitteina, vaikka niiden käyttötarkoitukset voivat osittain limittyä.

Kellot, sormukset ja älyvaatteet voivat seurata askelia, sykettä, arvioitua energiankulutusta, veren happikyllästeisyyttä ja unta. Mittausten tarkkuus ja käyttötarkoitus vaihtelevat; kuluttajalaitteen tulos ei yksin korvaa lääketieteellistä arviota.

Lääkinnällisiä puettavia laitteita ovat esimerkiksi tietyt EKG-, verenpaine- ja glukoosimittarit. Ne voivat tukea kroonisten sairauksien hoitoa ja etäseurantaa. Omien tietojen kerääminen voi vähentää joidenkin vastaanottokäyntien tarvetta, mutta ei poista henkilökohtaisten tutkimusten tarvetta.

Etäseuranta voi antaa hoitohenkilöstölle tietoa potilaan tilanteesta. Myös älypuhelimeen perustuvia mittausmenetelmiä tutkitaan, mutta tavallista puhelinta ei pidä tämän perusteella käyttää hyväksytyn glukoosimittarin korvikkeena.

Puettavien terveyslaitteiden kysynnän kasvusta on julkaistu markkinaennusteita. Ennusteiden suuruus riippuu laitteiden määritelmästä ja tarkasteluvuodesta; ne eivät ole toteutuneen markkinan arvo tai varma tuleva tulos.

Kuluttajalaitteiden saatavuutta tukevat älypuhelimet ja sovellukset. Lääkinnälliseen käyttöön tarkoitettujen tuotteiden on täytettävä niitä koskevat sääntely- ja näyttövaatimukset. Vaatimukset riippuvat laitteen käyttötarkoituksesta ja riskiluokasta.

Puettava ultraääni lihastoiminnan seurannassa

Kalifornian yliopiston San Diegon tutkijat esittelivät lokakuussa 2024 puettavan ultraäänilaitteen, joka seuraa lihasten toimintaa langattomasti. Menetelmää tutkittiin hengityksen seurannassa sekä käden ja ranteen liikkeiden tunnistamisessa.

Elektromyografia eli EMG mittaa lihasten sähköistä toimintaa. Ihon pinnalta tehtävässä mittauksessa lähekkäisten lihasten signaalit voivat sekoittua, ja liike sekä elektrodien sijoitus voivat vaikuttaa mittaukseen.

Pinta-EMG:n signaali voi sisältää tietoa useista lihassäikeistä, mikä vaikeuttaa yksittäisen lihaksen tai syvän kudoksen toiminnan erottamista.

Heikkojen sähköisten signaalien mittaamisessa elektrodien koko ja sijoitus vaikuttavat tuloksiin. Tämä on yksi syy tutkia täydentäviä mittaustapoja.

Ekomyografia eli EcMG käyttää ultraääntä lihasten liikkeiden ja rakenteiden mittaamiseen. Se voi tuottaa tietoa myös ihon pinnan alla olevista kudoksista.

Perinteiset ultraäänijärjestelmät voivat olla kookkaita, ja anturiryhmät sekä kaapelit voivat rajoittaa liikkumista. Myös virrankulutus on puettavien laitteiden suunnittelussa tärkeä tekijä.

NIH:n rahoittama UC San Diegon ryhmä kehitti siksi integroidun puettavan ekomyografiajärjestelmän.

Tutkimusta johti Sheng Xu UC San Diegon kemian ja nanotekniikan laitokselta. Hänen ryhmänsä oli kehittänyt puettavia ultraäänilaitteita jo aiemmin.

Vuonna 2023 ryhmä raportoi langattoman ultraäänijärjestelmän. Sen keskeinen osa oli ultraäänimittausta ja tiedonsiirtoa ohjaava elektroniikka.

Aiemmin anturin tiedonsiirtoon ja virransyöttöön tarvittu kaapeli korvattiin puettavalla elektroniikalla ja akulla.

”Piiri voi esikäsitellä ultraäänitietoa ja lähettää sen langattomasti taustajärjestelmään jatkoanalyysiä varten.”

– Xu sanoi silloin

Vuoden 2023 tutkimuksessa painopiste oli sydän- ja verisuonitoimintojen seurannassa. Koneoppiminen auttoi seuraamaan kohdekudosta myös käyttäjän liikkuessa.

”Automaattinen seuranta avaa uusia mahdollisuuksia lääketieteelliselle ultraäänikuvaukselle ja liikuntafysiologialle.”

– Muyang Lin, vuoden 2023 tutkimuksen pääkirjoittaja ja tuolloin tohtoriopiskelija Xun laboratoriossa

Vuoden 2023 tutkimuksessa mallia arvioitiin kymmenellä terveellä osallistujalla kolmesta etnisestä ryhmästä. Tämä oli pieni tutkimusjoukko; laajempi validointi oli seuraava tavoite. Lin kuvasi tulevaisuuden visiota näin:

”Toivomme, että tällainen laite voisi kaventaa kotihoidon ja sairaalassa tehtävän diagnostiikan välistä rajaa ja mahdollistaa mittauksia eri paikoissa ja ajankohtina.”

Langatonta ultraääntä voidaan tutkia myös vatsan ja raajojen kudosten seurannassa. Xun laboratorion Xinyi Yang esitteli vuonna 2024 otsalla käytettävän ultraäänilaitteen aivoverenkierron kolmiulotteiseen seurantaan. Kyse on erillisestä tutkimuksesta.

Mahdollisuuksia ihmisen ja koneen vuorovaikutukseen

Vuoden 2024 ekomyografiatutkimuksen keskeinen ratkaisu oli yhden ultraäänianturin käyttö lihasliikkeen seurannassa.

Joustavaan silikonielastomeeriin koteloitu laite sisältää kolme pääosaa: ultraääntä lähettävän ja vastaanottavan anturin, mittausta ja tiedonsiirtoa ohjaavan räätälöidyn piirin sekä litium-polymeeriakun. Tutkimuksessa akku mahdollisti vähintään kolmen tunnin toiminnan.

Anturi lähettää voimakkuudeltaan säädeltyjä ultraääniaaltoja ja tallentaa takaisin heijastuvia radiotaajuisia signaaleja. Näistä voidaan määrittää esimerkiksi pallean paksuutta ja liikettä.

Signaalien tarkka analyysi auttaa erottamaan lihasten liikkeitä. Tutkijoiden syväoppimisalgoritmi yhdisti mitattuja signaaleja liikkeisiin.

Algoritmi oppi ennustamaan käden ja ranteen asentoja ultraäänisignaaleista. Tämä on eri asia kuin kaikkien lihasten täydellinen anatominen kartoitus.

Akkukäyttöinen laite kiinnitetään iholle liimakerroksella langatonta seurantaa varten.

”Teknologiaa voitaisiin mahdollisesti käyttää pitkäkestoiseen seurantaan osana päivittäistä elämää.”

– Xiangjun Chen, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja UC San Diegon tohtorikoulutettava

Tutkijat käyttivät laitetta pallean toiminnan ja erilaisten hengitysmallien seurantaan. Heidän yhteen anturiin perustuva ekomyografiajärjestelmänsä havaitsi pallean liikkeen alle millimetrin tarkkuudella tutkimuksen koeolosuhteissa.

Laitteen testauksen aikana laite kiinnitettiin rintakehälle pallean paksuuden ja liikkeen seuraamiseksi.

Pallean paksuutta käytetään kliinisessä työssä pallean toimintahäiriön arviointiin ja hengityskonepotilaiden ennusteen tarkasteluun. Lihasliikkeen analyysi voi erottaa esimerkiksi pinnallisen ja syvän hengityksen. Tämä voi tukea hengityssairauksien arviointia, mutta laite ei yksin osoita keuhkokuumetta, astmaa tai keuhkoahtaumatautia.

Pienessä tutkimuksessa järjestelmä erotti terveiden osallistujien ja keuhkoahtaumatautia sairastavien hengitysmalleja. Tulos osoitti tutkimuspotentiaalia, ei vielä laajasti validoitua diagnoosimenetelmää.

”Pallean toiminnan seuranta voisi tukea hengityssairauksista kärsivien ja mekaanista ventilointia tarvitsevien potilaiden hoitoa.”

– Joseph Wang, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja UC San Diegon professori

Kyynärvarteen kiinnitettynä laite mittasi käden ja ranteen lihasten toimintaa. Yhden kanavan ultraäänisignaaleista tunnistettiin erilaisia käden liikkeitä.

Syväoppimisalgoritmi arvioi 13 liikkeen vapausastetta: kymmenen sorminivelen taivutuskulmat sekä ranteen kolme kiertokulmaa. Tutkimuksessa raportoitu keskimääräinen kulmavirhe oli 7,9 astetta; kyse ei ollut 13 erillisestä nivelestä.

Kokeissa osallistujat ohjasivat robottikättä ja virtuaalipeliä kyynärvarresta mitattujen signaalien avulla. Tämä osoitti käyttöliittymän toimivuuden rajatuissa demonstraatioissa.

Tutkimuksen toinen pääkirjoittaja, UC San Diegon tohtorikoulutettava Wentong Yue, totesi:

”Demonstraatiot korostavat teknologian mahdollisuuksia proteeseissa, pelaamisessa ja muissa ihmisen ja koneen käyttöliittymissä.”

Seuraavaksi tutkijat pyrkivät parantamaan tarkkuutta, puettavuutta, energiatehokkuutta ja laskentakykyä.

Puettavan ultraäänen tutkimus etenee

Useat tutkimusryhmät kehittävät iholle kiinnitettäviä ultraäänilaitteita fysiologisten toimintojen seurantaan. Lupaavat prototyypit edellyttävät kuitenkin käyttötarkoituksen mukaista lisävalidointia ennen laajaa kliinistä käyttöä.

Lähde: Wiley Online Library

Aiemmassa tutkimuksessa, joka julkaistiin verkossa lokakuussa 2023 ja lehtinumerossa vuonna 2024, tutkijat selvittivät nestemäistä metallia sisältävien elastomeerien käyttöä ultraäänianturin akustisena sovituskerroksena. Tavalliset jäykät sovituskerrokset eivät sovi hyvin venyviin laitteisiin.

Galliumipohjaisia metallipisaroita sekoitettiin pehmeään elastomeeriin. Noin 70 prosentin tilavuusosuudella saavutettiin 4,8 MRaylin akustinen impedanssi, yli 440 prosenttia suurempi kuin pelkällä polymeerillä. Venytettäessä impedanssin lasku jäi alle 15 prosenttiin. Suurempi impedanssi tässä materiaalissa auttoi sovittamaan äänen siirtymistä anturista kudokseen; se ei tarkoita yli 400 prosentin parannusta kaikissa laitteen ominaisuuksissa.

Sovituskerrosta testattiin puettavassa ultraääniprototyypissä kudosta jäljittelevällä fantomimallilla. Koe osoitti liikkeen mittaamisen mahdolliseksi, ei vielä kliinistä diagnostiikkatehoa ihmisillä.

Vuonna 2022 Xuanhe Zhaon johtama MIT:n ryhmä esitteli NIH:n rahoittaman, postimerkin kokoisen iholle tarttuvan ultraäänilaastarin.

Tutkimuksessa laastari pysyi kiinni vähintään 48 tuntia ja mahdollisti muun muassa verisuonten, lihasten ja sisäelinten kuvantamisen. Se täytyi kuitenkin kytkeä ulkoiseen kuvantamis- ja tiedonkäsittelyjärjestelmään. Myöhemmät langattomat prototyypit pyrkivät vähentämään tällaisia rajoituksia.

”Kuvittelemme tulevaisuuden, jossa eri puolille kehoa kiinnitetyt laastarit viestivät puhelimen kanssa ja tekoäly analysoi kuvia.”

– Zhao sanoi silloin

Kaupallista kehitystä edustaa skotlantilainen Novosound, joka ilmoitti saaneensa patentin puettavalle langattomalle ultraäänialustalleen maaliskuussa 2024. Yhtiö tavoittelee esimerkiksi verenvirtauksen ja verenpaineen seurantaa sekä tiedon välittämistä mobiililaitteisiin.

”Teknologia voisi tukea integrointia ja lisensointia älykellovalmistajille sekä täydentää optisia ja sähköisiä mittauksia jatkuvan verenpaineseurannan kehittämisessä.”

– Novosoundin toimitusjohtaja ja perustaja tohtori Dave Hughes

Patentti antaa haltijalleen oikeuden estää muita hyödyntämästä patenttivaatimusten kattamaa keksintöä tietyin ehdoin; se ei itsessään ole myyntilupa tai todiste kliinisestä toimivuudesta. Novosound kertoi myös yhteistyöstä Texas Medical Centerin kanssa ultraäänisovellusten kehittämiseksi.

Terveyden seurantalaitteita kehittäviä yrityksiä

Puettavien laitteiden kehitys kiinnostaa myös Applea (AAPL ), jonka Apple Watch tarjoaa kuluttajille terveyden ja liikunnan seurantatoimintoja.

Seuraavat kaksi yritystä toimivat lääkinnällisen teknologian alalla. Niiden mainitseminen ei osoita, että ne olisivat ottaneet käyttöön tässä kuvattua tutkimusprototyyppiä tai saisivat siitä tulevia tuottoja.

1. Medtronic

Medtronic kehittää ja myy erilaisia lääkinnällisiä laitteita ja etäseurantaratkaisuja.

Vuonna 2022 Medtronic aloitti yhteistyön BioIntelliSensen kanssa BioButton-laitteen hyödyntämiseksi. Laite voi kerätä enintään 1 440 mittausta vuorokaudessa muun muassa leposykkeestä, ihon lämpötilasta ja lepohengitystiheydestä. Vuonna 2024 yhtiö suuntasi huomiota tekoälyn käyttöön toiminnan ja tuottavuuden kehittämisessä.

Alkuperäisen vuoden 2024 artikkelin markkinatilannekuvassa Medtronicin osakekurssi oli noin 90,11 dollaria ja markkina-arvo 115,56 miljardia dollaria. Siinä mainittiin 9,38 prosentin nousu vuoden alusta, 2,97 dollarin osakekohtainen tulos, 30,31:n P/E-luku ja 3,11 prosentin osinkotuotto. Nämä ovat historiallisia, muuttuvia tunnuslukuja.

Medtronicin tilikauden 2025 ensimmäisellä neljänneksellä, joka päättyi 26. heinäkuuta 2024, yhtiö raportoi noin 7,9 miljardin dollarin liikevaihdon ja 2,8 prosentin raportoidun kasvun. Toimitusjohtaja Geoff Martha korosti perusmarkkinoiden kysyntää, toiminnan kurinalaisuutta ja uusien tuotteiden merkitystä.

Sydän- ja verisuoniliiketoiminnan liikevaihto kasvoi 5,5 prosenttia noin 3 miljardiin dollariin, neurotieteiden 4,4 prosenttia noin 2,3 miljardiin ja diabetesliiketoiminnan 11,8 prosenttia 647 miljoonaan. Medical Surgical -liiketoiminnan liikevaihto laski 0,4 prosenttia 1,996 miljardiin dollariin.

2. GE HealthCare Technologies

GE HealthCare tarjoaa ultraääni- ja muita kuvantamislaitteita, lääkediagnostiikkaa sekä potilasseurannan ratkaisuja. Puettava teknologia on sille mahdollinen kehityssuunta, mutta tämän tutkimuslaitteen käyttöönotosta ei tässä esitetä näyttöä.

Vuonna 2024 yhtiö aloitti yhteistyön Biofourmisin kanssa kotiin vietävän potilasseurannan kehittämiseksi. Biofourmis tarjoaa etähoidon ja seurannan ohjelmistoja sekä analytiikkaa.

GE HealthCare oli myös aiemmin esitellyt sairaalapotilaille langattomia puettavia antureita elintoimintojen seurantaan. Etäseuranta ei poista kaikkien henkilökohtaisten tarkastusten tarvetta.

Alkuperäisen vuoden 2024 artikkelin tilannekuvassa GE HealthCaren markkina-arvo oli 39,64 miljardia dollaria ja osakekurssi noin 86,78 dollaria. Siinä mainittiin 12,23 prosentin nousu vuoden alusta, 3,65 dollarin osakekohtainen tulos, 23,77:n P/E-luku ja 0,14 prosentin osinkotuotto. Nämä eivät ole tämänhetkisiä noteerauksia.

Vuoden 2024 kolmannella neljänneksellä GE HealthCare raportoi noin 4,9 miljardin dollarin liikevaihdon, yhden prosentin kasvun edellisvuodesta. Yhdysvaltojen kasvua vaimensi Kiinan markkinoiden jatkuva heikkous. Nettotulos oli 470 miljoonaa dollaria, liiketoiminnan rahavirta 742 miljoonaa ja vapaa rahavirta 651 miljoonaa dollaria.

”Kustannusten hallinta ja toiminnan kehittäminen ovat tukeneet kannattavuuden paranemista ja asiakkaille tuotettavaa arvoa.”

– toimitusjohtaja Peter Arduini

Yhteenveto 

Ultraääni auttaa tutkimaan kehon sisäisiä rakenteita ilman kirurgista toimenpidettä. Puettavat ratkaisut voivat laajentaa sen käyttöä pitkäkestoiseen ja liikkuvan käyttäjän seurantaan.

Vuoden 2024 ekomyografiatutkimus osoitti mahdollisuuksia pallean sekä käden ja ranteen toiminnan seurantaan. Pienet tutkimusjoukot ja käyttöliittymädemonstraatiot eivät vielä osoita kaikkien suunniteltujen kliinisten sovellusten toimivuutta.

Laajempi käyttö edellyttää luotettavuuden, tarkkuuden, akun keston, tietoturvan ja tulosten tulkinnan arviointia sekä tarvittavaa kliinistä näyttöä.

Katso myös luettelo puettavia terveyden seurantalaitteita kehittävistä yrityksistä.