De volgende golf in wearables: Slimmere diagnostische gezondheidszorg met echografie-patches

Draagbare technologie, of ‘wearables’, heeft veel tractie gekregen, zowel op het gebied van ontwikkeling als gebruik. 

Deze elektronische apparaten zijn ontworpen om als accessoires op het lichaam van de gebruiker te worden gedragen. Ze kunnen zelfs worden geïmplanteerd of in kleding worden ingebed. In feite, zoals we deelden, hebben onderzoekers recent een doorbraak bereikt in draagbare technologie, waardoor de creatie van textiel mogelijk is dat reageert op beweging en temperatuur. Hoe opwindend is dat!

Maar hoe bereiken wearables dat? Nou, ze zijn uitgerust met sensoren om gegevens te verzamelen die verband houden met de gezondheid, fitheid en omgevingscondities van de gebruiker. Processors stellen hen ondertussen in staat berekeningen uit te voeren en hun beoogde taken te verrichten. 

Deze apparaten zijn bovendien ontworpen om via draadloze technologieën met andere apparaten te communiceren, waardoor ze gegevens kunnen synchroniseren en extra functies via een app kunnen benaderen.

Draagbare technologie heeft verschillende toepassingsgebieden, zoals navigatie, interactieve games, het verbeteren van efficiëntie en het mogelijk maken van contactloze betalingen, onder andere, om de algehele gebruikerservaring te verbeteren. 

Een cruciale real-life toepassing van wearables waar we ons vandaag op richten, is geneeskunde en gezondheidszorg. Draagbare gezondheidsapparaten vallen eigenlijk in twee brede categorieën: consumenten-wearables en medische wearables. 

Consumenten-wearables zoals horloges, kleding en ringen stellen gebruikers in staat hun gezondheid en fitheid te monitoren door metrics bij te houden zoals stappen, verbrande calorieën, hartslag, zuurstofniveaus en slaappatronen. Real-time toegang tot waardevolle gegevens stelt gebruikers in staat beter voor zichzelf te zorgen. 

Medische wearables omvatten daarentegen bloeddrukmeters, ECG-monitoren, biosensoren en glucosemonitors, die steeds populairder worden omdat ze gebruikers waardevolle gegevens bieden om chronische ziekten te beheren. Door patiënten de mogelijkheid te geven hun eigen gezondheidsgegevens te verzamelen en te raadplegen en vervolgens te rapporteren, elimineert deze technologie de noodzaak van persoonlijke afspraken. 

Deze apparaten bieden ook zorgprofessionals real-time bruikbare inzichten, die ook op afstand beschikbaar zijn, en helpen hen meer gepersonaliseerde behandelingen te bieden. Interessant genoeg zouden we binnenkort zelfs onze gewone smartphones kunnen gebruiken als glucosimeters.

Gezien de enorme voordelen van draagbare technologie, is er een enorme vraag naar slimme draagbare gezondheidsapparaten, die naar verwachting $70 miljard waard zullen zijn in de komende vier jaar. 

Consumenten-wearables vormen het grootste aandeel van wearables vanwege hun grotere beschikbaarheid en toegankelijkheid en uiteraard de brede beschikbaarheid van smartphones die eenvoudige gegevensbeheer mogelijk maken. Medische wearables moeten daarentegen klinisch onderzoek ondergaan en goedkeuring krijgen van relevante overheidsinstanties om gegevens te verzamelen voor klinische besluitvorming. 

Draagbare echografie-innovatie die de gezondheidszorg revolutioneert

Te midden van al deze opwinding en ontwikkeling rond wearables, hebben onderzoekers een draagbaar echografieapparaat ontwikkeld dat draadloze monitoring van spieractiviteit uitvoert. Deze nieuwe technologie heeft potentiële toepassingen in de gezondheidszorg en mens-machine interfaces. 

Draagbare electromyografie (EMG)-apparaten kunnen al spieractiviteit identificeren om de gezondheid te monitoren en lichaamsbeweging bij te houden. Deze benadering is echter tamelijk beperkt vanwege de lage ruimtelijke resolutie, stabiliteit en signaal-ruisverhouding van EMG-signalen. 

EMG-signalen van meerdere spiervezels hebben de neiging te vermengen, waardoor het moeilijk is de bijdragen van een specifieke spiervezel te isoleren. 

Bovendien zijn ze intrinsiek zwak tijdens normale spieractiviteit. Om dit te compenseren, moeten grote elektroden op de huid worden aangebracht om elektrische spieractiviteit te registreren, wat de ruimtelijke resolutie vermindert.

Een veelbelovend alternatief voor deze klinische standaard is echomyografie (EcMG), die spierbeweging kan detecteren met behulp van ultrasone golven. Ultrasoon dringt immers diep in weefsels door om beelden met hoge resolutie te leveren, wat gedetailleerd inzicht in spierfunctie biedt. 

Hoewel het veilig, veelzijdig en toegankelijk is, is het probleem met EcMG dat het afhankelijk is van omvangrijke en complexe transducer-arrays. Deze beperken niet alleen de mobiliteit van de gebruiker, maar hebben ook een hoog energieverbruik.

Dus ontwikkelden ingenieurs aan de University of California San Diego, met steun van de National Institutes of Health, een volledig geïntegreerd draagbaar echomyografie-systeem. 

Sheng Xu, een professor en Jacobs Faculty Scholar in de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and NanoEngineering aan UC San Diego, die deze studie leidde, heeft eerder dergelijke echografie-patches gerapporteerd.

Vorig jaar meldde het team dat ze draadloze mogelijkheden bereikten in deze patch. Het sleutelonderdeel van die studie was het ontwerp van het echografiecircuit. 

In dit eerdere apparaat verving het team de flexibele kabel die op de echografieprobe was aangesloten en gebruikte deze voor gegevensoverdracht en stroomvoorziening.

“(Dit circuit) kan de echogeadaten voorverwerken en draadloos naar een back-end station verzenden voor verdere analyse.”

– Xu zei op dat moment

De focus van de vorige studie lag op cardiovasculaire gezondheid, en het machine learning-algoritme verwerkte automatisch de signalen en volgde continu de halsslagader, waardoor het team echoinformatie kon verkrijgen zelfs wanneer de drager van de patch bewoog. 

“Dit automatische tracking-algoritme biedt ongekende kansen voor medische echografie en inspanningsfysiologie.”

– Muyang Lin, de hoofdauteur en een Ph.D.-kandidaat in het Xu Laboratorium

Het team valideerde hun AI-model cross-gewijs bij tien gezonde proefpersonen uit drie verschillende raciale groepen, en de volgende stap betrof het valideren van de patch in een grotere populatie. Volgens Lin:

“Met dit soort apparaat hopen we de grens tussen thuiszorg en ziekenhuisdiagnostiek te vervagen. We voorzien een toekomst waarin diagnoses op elk moment en elke plaats kunnen plaatsvinden, mogelijk gemaakt door draadloze apparaten zoals deze.”

Terwijl de patch werd geëvalueerd voor het monitoren van cardiovasculaire functies, kon deze ook worden toegepast op de buik en ledematen voor respectievelijk het monitoren van het diafragma en perifere arteriën, die in de nieuwste studie werden getarget. Enkele maanden geleden toonde Xinyi Yang van Xu’s laboratorium aan dat de draagbare echografie-patch comfortabel op de slapen kan worden gedragen om 3D-gegevens over de cerebrale bloedstroom te leveren.
toonde aan

Het potentieel van mens-machine interactie ontgrendelen

Nu was de belangrijkste innovatie van het nieuwste onderzoek het gebruik van de enkele ultrasone transducer om dieperliggende problemen effectiever te detecteren.

De zachte echografie-patch hier is omsloten door een flexibele siliconen elastomeer behuizing en omvat drie hoofdonderdelen — een enkele transducer om ultrasone golven te zenden en ontvangen, een aangepast draadloos circuit voor gegevensverwerking en het aansturen van de transducer, en een ingebouwde lithium‑polymeer batterij om het systeem minstens drie uur van stroom te voorzien.

De enkele ultrasone transducer, die de belangrijkste innovatie is, zendt ultrasone golven met gecontroleerde intensiteit uit en vangt radiosignalen op die informatie bevatten. Dit maakt klinische toepassingen mogelijk, zoals het meten van de dikte van het diafragma. 

Het apparaat gebruikt deze signalen om een hoge ruimtelijke resolutie te bereiken, wat belangrijk is voor het isoleren van specifieke spierbewegingen. Een aangepast deep‑learning‑algoritme hielp onderzoekers ondertussen extra inzichten uit deze signalen te halen.

Het AI-algoritme brengt de signalen in kaart naar hun overeenkomstige spierdistributies, waardoor nauwkeurige detectie van specifieke bewegingen uit de verzamelde signalen mogelijk wordt.

Het op batterij aangedreven apparaat kan met een plaklaag op de huid worden bevestigd voor nauwkeurige langdurige draadloze monitoring van spieren.

“Deze technologie zou potentieel door individuen tijdens hun dagelijkse routine gedragen kunnen worden voor continue, langdurige monitoring.”

– Co-auteur Xiangjun Chen, een Ph.D.-kandidaat in het Materials Science and Engineering programma aan UC San Diego

Om te demonstreren wat het kan bereiken, gebruikte het team het apparaat om diafragma-activiteit te detecteren, wat de herkenning van verschillende ademhalingsmodi mogelijk maakt. Ze ontdekten dat hun draagbare enkel‑transducer echomyografie‑systeem daadwerkelijk verschillende ademhalingspatronen kan volgen en detecteren door diafragma-activiteit met sub‑millimeter resolutie te volgen.

Tijdens de apparaat‑test werd het gedragen over de ribbenkast om de dikte en beweging van het diafragma te monitoren, wat helpt de respiratoire gezondheid te beoordelen.

Dikte wordt gebruikt om diafragma‑disfunctie te evalueren en uitkomsten bij geventileerde patiënten te voorspellen. Door spierbeweging te analyseren kunnen verschillende ademhalingspatronen worden gedetecteerd, wat kan helpen bij het diagnosticeren van aandoeningen gerelateerd aan onregelmatige ademhaling, zoals longontsteking, astma en chronische obstructieve longziekte (COPD).  

In een kleine groepsstudie onderscheidde het apparaat succesvol de ademhalingspatronen van gezonde individuen en die met COPD, waarmee het potentieel van het apparaat in de respiratoire zorg wordt aangetoond.

“Door diafragma‑activiteit te volgen, zou de technologie potentieel patiënten met respiratoire aandoeningen en die afhankelijk zijn van mechanische ventilatie kunnen ondersteunen.”

– De studie‑co‑auteur Joseph Wang, een professor in de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering

Het apparaat werd vervolgens op de onderarm gebruikt om hand- en polsspieractiviteit te detecteren. Het bleek succesvol handgebaren te herkennen uit de enkel‑kanaal radiosignalen van ultrasoon die van onderarmspieren worden gedetecteerd. 

Het aangepaste deep‑learning‑algoritme stelde het team in staat verschillende handgebaren nauwkeuriger te detecteren alleen uit ultrasoonsignalen. In totaal werden 13 handgewrichten gerapporteerd als herkend met een gemiddelde fout van slechts 7,9°.

Deze bewegingsdetectie omvatte tien vingergewrichten en drie polsrotatiehoeken, wat aantoont dat het systeem zelfs kleine vinger‑ en polsbewegingen met hoge gevoeligheid kan vastleggen. En deze specifieke test toont het potentieel van het apparaat als mens‑machine interface om een virtueel spel te spelen of een robotarm te besturen.

Volgens studie‑co‑auteur Wentong Yue, een Ph.D.-kandidaat in dezelfde afdeling van UC San Diego:

“Deze demonstraties onderstrepen het potentieel van de technologie voor protheses, gaming en andere mens‑machine interface toepassingen.”

Nu zullen onderzoekers in de volgende stappen trachten de energie‑efficiëntie, draagbaarheid, nauwkeurigheid en rekencapaciteiten van de technologie verder te verbeteren.

De opkomst van draagbare echografie’s die de toekomst van de geneeskunde ontsluiten

Draagbare echografie is een medische doorbraak die de gezondheidszorg kan revolutioneren. Deze vooruitgang loopt echter al enige tijd. Door de jaren heen hebben wetenschappers verschillende uitdagingen aangepakt en verschillende draagbare echografieën ontwikkeld voor betere remote monitoring van kritieke fysiologische functies van een patiënt.

Bron: Wiley Online Library

Eerder dit jaar ontdekten onderzoekers een vloeibaar metaal om het probleem van akoestische impedantie bij echografiesystemen die afhankelijk zijn van transducers te overwinnen. Gewoonlijk wordt dit probleem aangepakt met behulp van matching‑lagen, maar de meeste materialen die hiervoor worden gebruikt zijn te stijf voor draagbare apparaten.

Om een meer conformerende maar functionele matching‑laag te ontwerpen, gebruikten de onderzoekers verschillende groottes en volumes van gallium‑gebaseerde druppels in zacht siliconen. Door siliconen te verzadigen met ongeveer 70% van de druppels, verbeterde de resulterende dichtheid van de matching‑laag de akoestische impedantie met meer dan 400%. Bij rek, vergelijkbaar met wat de matching‑laag kan ondergaan als onderdeel van een draagbaar apparaat, daalde de impedantie met slechts 13%.

Het team integreerde vervolgens zijn rekbare matching‑laag in een prototype van een draagbare echografie, die met succes de gesimuleerde beweging registreerde, waarmee het potentieel als diagnostisch apparaat wordt aangetoond.

Een paar jaar geleden ontwikkelde een door de NIH gefinancierd onderzoeksteam onder leiding van Dr. Xuanhe Zhao aan MIT ook een draagbare echografie-patch, ter grootte van een dik postzegel, die zich aan de huid hecht in zowel droge als natte omgevingen. 

Bij testen bleek de patch comfortabel gedragen te kunnen worden gedurende minstens 48 uur en kon continue beelden leveren van spieren, bloedvaten, hart, diafragma, long of maag. De patch moest echter worden gekoppeld aan computersystemen voor intensieve gegevensverwerking. Zoals we hebben gezien, richt de nieuwste vooruitgang zich echter op het wegnemen van deze beperkingen terwijl het systeem effectiever wordt gemaakt.

“We zien een paar patches die op verschillende locaties op het lichaam worden bevestigd, en de patches zouden communiceren met uw telefoon, waar AI‑algoritmen de beelden op aanvraag analyseren.”

– Zhao zei op dat moment

Dit begint nu een realiteit te worden, met het Schotse health‑tech bedrijf Novosound dat een patent heeft verkregen voor zijn draagbare echografie eerder dit jaar. Het apparaat, dat continu de bloedstroom en druk van de patiënt monitort, wordt om het lichaam bevestigd om beelden op mobiele apparaten te produceren.

“Dit stelt ons in staat de technologie te integreren en licentiëren met smartwatch‑partners, die dieper in het lichaam kijken en de metingen van hun optische en elektrische sensoren verbeteren, waardoor de heilige graal van 24/7 bloeddrukmonitoring op de pols wordt geopend.”

– Novosound CEO en mede‑oprichter Dr. Dave Hughes

Het patent geeft het bedrijf niet alleen exclusieve rechten om de technologie te verkopen en pilotprojecten met grote instellingen uit te voeren, maar omvat ook R&D‑contracten voor consumentgerichte digitale gezondheidsapplicaties. Novosound heeft al een samenwerking met het Texas Medical Center om use‑cases voor zijn draagbare echografieën te ontwikkelen.

Relevante bedrijven in de draagbare gezondheidszorg

Draagbare technologie is een groeiende sector die de interesse heeft gewekt van tech‑giganten zoals Apple (AAPL ), die gezondheidsgerelateerde toepassingen verkent via zijn consumenten‑wearable Apple Watch.

We zullen ons echter richten op bedrijven die actief betrokken zijn bij het medische veld, dus hier zijn twee prominente namen die potentieel kunnen profiteren van innovaties zoals draagbare echografie.

1. Medtronic

Een wereldleider in medische apparaten, Medtronic Public Limited Company, biedt breed scala aan gezondheidszorgtechnologieoplossingen en onderzoekt wearables voor diagnostiek en gezondheidsmonitoring, inclusief remote oplossingen.

In 2022 ging Medtronic een samenwerking aan met BioIntelliSense voor zijn BioButton wearable die tot wel 1.440 vitale metingen per dag kan uitvoeren, waaronder hartslag in rust, huidtemperatuur en ademhalingsfrequentie in rust. Dit jaar richt het bedrijf zich op AI, waarbij elke afdeling wordt gevraagd ideeën te bedenken om de technologie te gebruiken om de productiviteit te verhogen.

Met een marktkapitalisatie van $115,56 miljard worden Medtronic-aandelen momenteel verhandeld tegen $90,11, een stijging van 9,38% dit jaar. Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van 2,97 en een P/E (TTM) van 30,31, terwijl het een dividendrendement van 3,11% uitkeert.

Voor het eerste kwartaal van het fiscale jaar 2025, eindigend op 26 juli 2024, rapporteerde Medtronic een omzet van $7,9 miljard, een stijging van 2,8%. “Onze onderliggende markten zijn gezond, we voeren operationele strengheid uit, en nieuwe productinnovatie stimuleert gediversifieerde groei in belangrijke health‑tech markten,” zei CEO Geoff Martha.

Tijdens dit kwartaal steeg de omzet van de Cardiovasculaire Portfolio met 5,5% tot $3 miljard, de omzet van de Neurowetenschappen Portfolio steeg met 4,4% tot $2,3 miljard, en het diabetessegment steeg met 11,8% tot $647 miljoen, terwijl de omzet van de Medische Chirurgische Portfolio daalde met 0,4% tot $1,996 miljard.

2. GE HealthCare Technologies

Dit is een medisch technologiebedrijf dat innovatieve echografie‑oplossingen biedt naast beeldvorming, Pharmaceutical Diagnostics (PDx) en Patient Care Solutions (PCS). Gezien de focus op echografie‑oplossingen kan GE Healthcare potentieel draagbare innovaties integreren voor diagnostische beeldvorming.

Dit jaar werkt het bedrijf samen met Biofourmis om de reikwijdte van patiëntmonitoring‑technologie naar hun huizen uit te breiden. Biofourmis is een virtueel specialistische zorgplatform dat AI‑algoritmen combineert om tools te bieden die helpen acute en post‑acute patiënten op afstand te monitoren.

Een paar jaar geleden heeft GE Healthcare ook geïntroduceerd draadloze, draagbare sensoren die patiënten tijdens hun ziekenhuisverblijf kunnen dragen, waardoor clinici hun vitale functies kunnen volgen zonder regelmatige controles uit te voeren.

Met een marktkapitalisatie van $39,64 miljard worden GE HealthCare-aandelen momenteel verhandeld tegen $86,78.11, een stijging van 12,23% dit jaar. Het bedrijf heeft een EPS (TTM) van 3,65 en een P/E (TTM) van 23,77, terwijl het een dividendrendement van 0,14% uitkeert.

Voor Q3 van 2024 rapporteerde GE HealthCare een omzet van $4,9 miljard, een stijging van 1% jaar-op-jaar, terwijl werd opgemerkt dat de positieve omzetgroei in de VS werd gecompenseerd door aanhoudende marktzwakte in China. De nettowinst bedroeg $470 miljoen, en de kasstroom uit operationele activiteiten was $742 miljoen, terwijl $651 miljoen vrije kasstroom was.

“Doorlopende lean‑initiatieven binnen de organisatie leveren betere waarde voor patiënten en klanten en hebben geresulteerd in een robuuste margespreiding.”

– CEO Peter Arduini

Conclusie 

In de gezondheidszorg speelt echografie een sleutelrol, waardoor clinici ons lichaam van binnen kunnen bekijken om ziekten te diagnosticeren en de gezondheid te monitoren. Daarom zijn onderzoekers geïnteresseerd in het integreren van deze niet‑invasieve techniek in draagbare apparaten.

Zoals we zagen met het nieuwste onderzoek, kan de veelzijdige draagbare echografie-patch onderweg beelden met hoge resolutie van interne weefsels leveren voor diverse klinische en diagnostische toepassingen, waarmee een nieuw tijdperk van gepersonaliseerde gezondheidszorg wordt ingeluid. 

Over het algemeen zijn wearables de toekomst van de gezondheidszorg, hoewel zorgen over de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van sensoren en de batterijduur moeten worden aangepakt, en betere toegang tot analysetools moet worden geboden om de volledige voordelen van de technologie te benutten!

Klik hier voor een lijst van top draagbare gezondheids‑tracking bedrijven.