La prochaine vague des objets connectés : des soins de santé diagnostiques plus intelligents grâce aux patchs à ultrasons

La technologie portable, ou « wearables », suscite de plus en plus d’intérêt, tant du point de vue du développement que de l’utilisation.

Ces appareils électroniques sont conçus pour être portés comme des accessoires sur le corps de l’utilisateur. Ils peuvent même être implantés ou intégrés dans les vêtements. En fait, comme nous l’avons partagé, les chercheurs ont récemment réalisé une percée dans la technologie portable, permettant la création de textiles qui réagissent aux mouvements et à la température. Quelle excitation !

Mais comment les wearables y parviennent-ils ? Eh bien, ils sont équipés de capteurs pour collecter des données liées à la santé, à la forme physique et aux conditions environnementales de l’utilisateur. Les processeurs, quant à eux, leur permettent d’effectuer des calculs et d’accomplir leurs tâches prévues. 

Ces appareils sont également conçus à communiquer avec d’autres appareils via des technologies sans fil, leur permettant de synchroniser les données et d’accéder à des fonctionnalités supplémentaires via une application.

La technologie portable possède plusieurs cas d’utilisation, tels que la navigation, les jeux interactifs, l’amélioration de l’efficacité et la possibilité de paiements sans contact, entre autres, afin d’améliorer l’expérience globale des utilisateurs. 

Une application réelle cruciale des wearables sur laquelle nous nous concentrerons aujourd’hui est la médecine et les soins de santé. Les dispositifs de santé portables se classent en deux grandes catégories : les wearables grand public et les wearables de qualité médicale. 

Les wearables grand public, tels que les montres, les vêtements et les bagues, permettent aux utilisateurs de surveiller leur santé et leur forme physique en suivant des indicateurs comme le nombre de pas, les calories brûlées, la fréquence cardiaque, le taux d’oxygène et les cycles de sommeil. L’accès en temps réel à ces données précieuses permet aux utilisateurs de mieux prendre soin d’eux-mêmes. 

Les wearables de qualité médicale, quant à eux, comprennent des tensiomètres, des moniteurs ECG, des biosenseurs et des moniteurs de glucose, qui gagnent en popularité en fournissant aux utilisateurs des données précieuses pour gérer les maladies chroniques. En donnant aux patients la capacité de collecter et d’accéder à leurs propres données de santé, puis de les rapporter, cette technologie élimine le besoin de rendez‑vous en personne. 

Ces appareils offrent également aux professionnels de santé des informations exploitables en temps réel, accessibles à distance, et les aident à fournir des traitements plus personnalisés. Il est intéressant de noter que nous pourrions bientôt même être capables d’utiliser nos simples smartphones comme glucomètres.

Compte tenu des vastes avantages de la technologie portable, la demande pour des dispositifs de santé portables intelligents explose, et ils sont prévu d’atteindre 70 milliards de dollars au cours des quatre prochaines années. 

Les wearables grand public représentent la plus grande part du marché des wearables en raison de leur disponibilité accrue et de leur accessibilité, ainsi que, bien sûr, de la large diffusion des smartphones qui permettent une gestion facile des données. Les wearables de qualité médicale, quant à eux, doivent passer par la recherche clinique et obtenir l’autorisation des agences gouvernementales compétentes pour collecter des données destinées à la prise de décision clinique. 

Innovation en ultrasons portables révolutionnant les soins de santé

Au milieu de toute cette excitation et de ces développements autour des wearables, des chercheurs ont mis au point un dispositif d’ultrasons portable qui assure la surveillance sans fil de l’activité musculaire. Cette nouvelle technologie a des applications potentielles dans les soins de santé et les interfaces homme‑machine. 

Les dispositifs d’électromyographie (EMG) portables sont déjà capables d’identifier l’activité musculaire pour surveiller la santé et suivre les mouvements du corps. Cependant, cette approche est assez limitée en raison de la faible résolution spatiale, de la stabilité et du rapport signal‑bruit des signaux EMG. 

Les signaux EMG provenant de multiples fibres musculaires ont également tendance à se mélanger, rendant difficile l’isolation des contributions d’une fibre musculaire spécifique. 

Sans oublier qu’ils sont intrinsèquement faibles lors d’une activité musculaire normale. Pour compenser cela, de grands électrodes doivent être appliquées sur la peau afin d’enregistrer l’activité électrique du muscle, ce qui réduit la résolution spatiale.

Une alternative prometteuse à cette norme clinique est l’échomyographie (EcMG), qui peut détecter le mouvement musculaire à l’aide d’ondes ultrasonores. L’ultrason, après tout, pénètre les tissus profonds pour fournir des images haute résolution, offrant des informations détaillées sur la fonction musculaire. 

Bien qu’elle soit sûre, polyvalente et accessible, le problème de l’EcMG réside dans le fait qu’elle repose sur des réseaux de transducteurs volumineux et complexes. Ceux‑ci limitent non seulement la mobilité de l’utilisateur, mais consomment également beaucoup d’énergie.

Ainsi, des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego, avec le soutien des National Institutes of Health, ont développé un système d’échomyographie portable entièrement intégré. 

Sheng Xu, professeur et Jacobs Faculty Scholar au sein du département de Chimie et Nano‑ingénierie Aiiso Yufeng Li Family de l’UC San Diego, qui a dirigé cette étude, a déjà publié des patchs à ultrasons similaires.

L’année dernière, l’équipe a rapporté avoir atteint la capacité sans fil avec ce patch. L’élément clé de cette étude était la conception du circuit à ultrasons. 

Dans ce dispositif précédent, l’équipe a remplacé le câble flexible relié à la sonde à ultrasons et l’a utilisé pour la transmission de données et l’alimentation.

« (Ce circuit) peut pré‑traiter et transmettre sans fil les données ultrasonores à une station de traitement pour une analyse supplémentaire. »

– Xu a déclaré à l’époque

L’étude précédente se concentrait sur la santé cardiovasculaire, et l’algorithme d’apprentissage automatique traitait automatiquement les signaux et suivait en continu l’artère carotide, permettant à l’équipe d’obtenir des informations ultrasonores même lorsque le porteur du patch était en mouvement. 

« Cet algorithme de suivi automatique offre des opportunités sans précédent pour l’ultrasonographie médicale et la physiologie de l’exercice. »

– Muyang Lin, auteur principal et doctorant dans le laboratoire Xu

L’équipe a cross‑validé son modèle d’IA parmi dix sujets sains issus de trois groupes raciaux différents, et l’étape suivante consistait à valider le patch sur une population plus large. Selon Lin :

« Avec ce type d’appareil, nous espérons estomper la frontière entre les soins à domicile et le diagnostic hospitalier. Nous envisageons un avenir où les diagnostics pourront être effectués à tout moment et en tout lieu, grâce à des dispositifs sans fil comme ceux‑ci. »

Bien que le patch ait été évalué pour le suivi des fonctions cardiovasculaires, il pourrait également être appliqué à l’abdomen et aux membres pour le suivi du diaphragme et des artères périphériques, respectivement, ce qui était l’objectif de la dernière étude. Il y a quelques mois, Xinyi Yang du laboratoire de Xu a démontré que le patch à ultrasons portable peut également être porté confortablement sur le temple afin de fournir des données 3D sur le flux sanguin cérébral.

Déverrouiller le potentiel de l’interaction homme‑machine

Aujourd’hui, l’innovation principale de la recherche la plus récente était d’utiliser le transducteur à ultrasons unique pour détecter les problèmes profonds de manière plus efficace.

Le patch à ultrasons souple présenté ici est enfermé dans un boîtier en élastomère de silicone flexible et comprend trois éléments principaux : un transducteur unique pour émettre et recevoir les ondes ultrasonores, un circuit sans fil personnalisé pour le traitement des données et le contrôle du transducteur, ainsi qu’une batterie lithium‑polymère intégrée pour alimenter le système pendant au moins trois heures.

Le transducteur à ultrasons unique, qui constitue l’innovation principale, émet des ondes ultrasonores d’intensité contrôlée et capte des signaux radiofréquence contenant des informations. Cela permet des applications cliniques telles que la mesure de l’épaisseur du diaphragme. 

L’appareil utilise ces signaux pour obtenir une haute résolution spatiale, ce qui est important pour isoler des mouvements musculaires spécifiques. Un algorithme d’apprentissage profond personnalisé, quant à lui, a aidé les chercheurs à extraire des informations supplémentaires à partir de ces signaux.

L’algorithme d’IA associe les signaux à leurs distributions musculaires correspondantes, permettant ainsi une détection précise de mouvements particuliers à partir des signaux collectés.

Le dispositif alimenté par batterie peut être fixé à la peau avec une couche adhésive pour un suivi sans fil précis et à long terme des muscles.

« Cette technologie pourrait potentiellement être portée par les individus pendant leurs routines quotidiennes pour une surveillance continue et à long terme. »

– Co‑auteur Xiangjun Chen, doctorant en sciences des matériaux et génie à l’UC San Diego

Pour démontrer ce qu’il peut accomplir, l’équipe a utilisé son dispositif pour détecter l’activité du diaphragme, ce qui permet de reconnaître différents modes de respiration. Ils ont constaté que leur système d’échomyographie portable à transducteur unique pouvait réellement suivre et détecter différents schémas respiratoires en suivant l’activité du diaphragme avec une résolution sub‑millimétrique.

Lors des tests du dispositif, il a été porté sur la cage thoracique afin de surveiller l’épaisseur et le mouvement du diaphragme, ce qui aide à évaluer la santé respiratoire.

L’épaisseur est utilisée pour évaluer la dysfonction du diaphragme et prédire les résultats chez les patients ventilés. En analysant le mouvement musculaire, différents schémas respiratoires peuvent être détectés, ce qui peut aider à diagnostiquer des affections liées à des irrégularités respiratoires, telles que la pneumonie, l’asthme et la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC).  

Dans un petit essai de groupe, le dispositif a réussi à distinguer les schémas respiratoires des individus sains de ceux atteints de MPOC, démontrant le potentiel du dispositif dans les soins respiratoires.

« En suivant l’activité du diaphragme, la technologie pourrait potentiellement soutenir les patients atteints de troubles respiratoires et ceux dépendant de la ventilation mécanique. »

– Co‑auteur de l’étude Joseph Wang, professeur au département de Chimie et Nano‑ingénierie Aiiso Yufeng Li Family

Le dispositif a ensuite été utilisé sur l’avant‑bras pour détecter l’activité musculaire de la main et du poignet. Il a été constaté qu’il reconnaissait avec succès les gestes de la main à partir des signaux ultrasonores radiofréquence à canal unique détectés dans les muscles de l’avant‑bras. 

L’algorithme d’apprentissage profond personnalisé a permis à l’équipe de détecter divers gestes de la main avec plus de précision uniquement à partir des signaux ultrasonores. Un total de 13 articulations de la main ont été reconnues avec une erreur moyenne de seulement 7,9 °.

Cette détection de mouvement impliquait dix articulations des doigts et trois angles de rotation du poignet, ce qui montre que le système peut capturer même de légers mouvements des doigts et du poignet avec une grande sensibilité. Ce test particulier démontre le potentiel de l’utilisation du dispositif comme interface homme‑machine pour jouer à un jeu virtuel ou contrôler un bras robotique.

Selon le co‑auteur de l’étude Wentong Yue, doctorant dans le même département de l’UC San Diego :

« Ces démonstrations soulignent le potentiel de la technologie pour les prothèses, les jeux vidéo et d’autres applications d’interface homme‑machine. »

À présent, dans les prochaines étapes, les chercheurs viseront à améliorer davantage l’efficacité énergétique, la portabilité, la précision et les capacités de calcul de la technologie.

L’essor des ultrasons portables ouvrant l’avenir de la médecine

L’ultrason portable représente une percée médicale qui peut révolutionner les soins de santé. Cependant, cette avancée se développe depuis un certain temps. Au fil des années, les scientifiques ont relevé divers défis et développé différents ultrasons portables pour améliorer la surveillance à distance des fonctions physiologiques critiques d’un patient.

Source: Wiley Online Library

Plus tôt cette année, des chercheurs ont découvert un métal liquide pour surmonter le problème d’impédance acoustique des systèmes à ultrasons qui reposent sur des transducteurs. Habituellement, ce problème est résolu à l’aide de couches d’adaptation, mais la plupart des matériaux utilisés à cet effet se sont avérés trop rigides pour les dispositifs portables.

Pour concevoir une couche d’adaptation plus conforme mais fonctionnelle, les chercheurs ont utilisé diverses tailles et volumes de gouttelettes à base de gallium dans du silicone souple. En saturant le silicone avec environ 70 % de ces gouttelettes, la densité de la couche d’adaptation a amélioré son impédance acoustique de plus de 400 %. Lorsqu’elle est soumise à une contrainte, à l’instar de ce que la couche d’adaptation pourrait subir dans un dispositif portable, l’impédance a diminué de seulement 13 %.

L’équipe a ensuite intégré sa couche d’adaptation extensible dans un prototype d’ultrasons portable, qui a enregistré avec succès le mouvement simulé, démontrant son potentiel en tant que dispositif de diagnostic.

Il y a quelques années, une équipe de recherche financée par le NIH, dirigée par le Dr Xuanhe Zhao du MIT, a également développé un patch à ultrasons portable, de la taille d’un timbre épais, qui adhère à la peau dans des environnements secs et humides. 

Lors des tests, il a été constaté que le patch pouvait être porté confortablement pendant au moins 48 heures et était capable de fournir une imagerie continue des muscles, des vaisseaux sanguins, du cœur, du diaphragme, des poumons ou de l’estomac. Cependant, le patch devait être connecté à des systèmes informatiques pour un traitement intensif des données. Toutefois, comme nous l’avons vu, les dernières avancées se sont concentrées sur la suppression de ces limitations tout en rendant le système plus efficace.

« Nous imaginons plusieurs patchs adhérant à différents endroits du corps, les patchs communiquant avec votre téléphone portable, où des algorithmes d’IA analysera les images à la demande. »

– Zhao a déclaré à l’époque

Cela commence maintenant à devenir une réalité, la société écossaise de technologie de santé Novosound ayant obtenu un brevet pour son ultrasons portable plus tôt cette année. Le dispositif, qui surveille constamment le flux sanguin et la pression du patient, est fixé au corps pour produire des images sur les appareils mobiles.

« Cela nous permet d’intégrer et de concéder sous licence la technologie avec des partenaires de montres intelligentes, d’examiner plus profondément le corps et d’améliorer les mesures fournies par leurs capteurs optiques et électriques, ouvrant le saint graal de la surveillance de la pression artérielle 24 h/24 et 7 j/7 au poignet. »

– PDG et co‑fondateur de Novosound Dr Dave Hughes

Le brevet ne donne pas seulement à l’entreprise des droits exclusifs pour commercialiser la technologie et mener des projets pilotes avec de grandes institutions, mais il engage également des contrats de R & D pour des applications de santé numérique grand public. Novosound s’est déjà associé au Texas Medical Center pour développer des cas d’utilisation pour ses ultrasons portables.

Entreprises pertinentes dans les wearables de santé

La technologie portable est un secteur en pleine croissance qui a suscité l’intérêt de géants technologiques comme Apple (AAPL ), qui explore les applications liées à la santé via son wearable grand public Apple Watch.
Nous nous concentrerons toutefois sur les entreprises qui sont activement impliquées dans le domaine médical, voici donc deux noms importants qui pourraient potentiellement bénéficier d’innovations comme les ultrasons portables.

1. Medtronic

Leader mondial des dispositifs médicaux, Medtronic Public Limited Company, propose des solutions technologiques de santé étendues et explore les wearables pour le diagnostic et la surveillance de la santé, y compris les solutions à distance.

En 2022, Medtronic a établi un partenariat avec BioIntelliSense pour son wearable BioButton qui mesure jusqu’à 1 440 mesures de signes vitaux par jour, y compris la fréquence cardiaque au repos, la température cutanée et la fréquence respiratoire au repos. Cette année, l’entreprise se concentre sur l’IA, demandant à chaque département de proposer des idées pour utiliser la technologie afin d’accroître la productivité.

Avec une capitalisation boursière de 115,56 milliards de dollars, les actions de Medtronic se négocient actuellement à 90,11 $, en hausse de 9,38 % cette année. Ainsi, l’entreprise affiche un BPA (TTM) de 2,97 et un PER (TTM) de 30,31 tout en versant un rendement du dividende de 3,11 %.

Pour son premier trimestre de l’exercice fiscal 2025, se terminant le 26 juillet 2024, Medtronic a déclaré un chiffre d’affaires de 7,9 milliards de dollars, en hausse de 2,8 %. « Nos marchés sous‑jacents sont sains, nous renforçons la rigueur opérationnelle, et l’innovation de nouveaux produits alimente une croissance diversifiée sur les principaux marchés de la technologie de santé, » a déclaré le PDG Geoff Martha.

Au cours de ce trimestre, le chiffre d’affaires de son portefeuille cardiovasculaire a bondi de 5,5 % pour atteindre 3 milliards de dollars, celui du portefeuille neurosciences a augmenté de 4,4 % pour atteindre 2,3 milliards de dollars, et le segment diabète a grimpé de 11,8 % à 647 millions de dollars, tandis que le chiffre d’affaires du portefeuille médico‑chirurgical a diminué de 0,4 % pour atteindre 1,996 milliard de dollars.

2. GE HealthCare Technologies

Il s’agit d’une entreprise de technologie médicale qui propose des solutions d’ultrasons innovantes en plus de l’imagerie, des diagnostics pharmaceutiques (PDx) et des solutions de soins aux patients (PCS). Étant donné son orientation vers les solutions d’ultrasons, GE HealthCare pourrait potentiellement intégrer les avancées portables pour l’imagerie diagnostique.

Cette année, l’entreprise collabore avec Biofourmis pour étendre la portée de la technologie de suivi des patients à leurs domiciles. Biofourmis est une plateforme de soins spécialisés virtuels qui combine des algorithmes d’IA pour offrir des outils aidant à surveiller à distance les patients aigus et post‑aigus.

Il y a quelques années, GE Healthcare a lancé des capteurs sans fil et portables que les patients portent pendant leur séjour à l’hôpital, permettant aux cliniciens de suivre leurs signes vitaux sans devoir effectuer des contrôles réguliers.

Avec une capitalisation boursière de 39,64 milliards de dollars, les actions de GE HealthCare se négocient actuellement à 86,78 $, en hausse de 12,23 % cette année. Ainsi, l’entreprise affiche un BPA (TTM) de 3,65 et un PER (TTM) de 23,77 tout en versant un rendement du dividende de 0,14 %.

Pour le troisième trimestre 2024, GE HealthCare a déclaré un chiffre d’affaires de 4,9 milliards de dollars, en hausse de 1 % d’une année sur l’autre, tout en notant que sa croissance positive du chiffre d’affaires aux États‑Unis a été compensée par une persistance de la faiblesse du marché en Chine. Son bénéfice net était de 470 millions de dollars, et le flux de trésorerie provenant des activités opérationnelles était de 742 millions de dollars, tandis que le flux de trésorerie disponible s’élevait à 651 millions de dollars.

« Les initiatives d’optimisation continues au sein de l’organisation offrent une meilleure valeur aux patients et aux clients et ont entraîné une expansion robuste des marges. »

– PDG Peter Arduini

Conclusion 

Dans le domaine de la santé, l’ultrason joue un rôle clé, permettant aux cliniciens de voir à l’intérieur de notre corps pour diagnostiquer les maladies et surveiller la santé. Ainsi, les chercheurs s’intéressent à l’intégration de cette technique non invasive dans les dispositifs portables.

Comme nous l’avons vu avec les dernières recherches, le patch à ultrasons portable polyvalent peut fournir une imagerie haute résolution des tissus internes en déplacement pour diverses applications cliniques et diagnostiques, ouvrant une nouvelle ère de soins de santé personnalisés. 

Dans l’ensemble, les wearables représentent l’avenir des soins de santé, bien que les préoccupations concernant la précision et la fiabilité des capteurs ainsi que l’autonomie de la batterie doivent être résolues, et qu’un meilleur accès aux outils d’analyse soit fourni pour exploiter pleinement les avantages de la technologie !

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