Den neste bølgen innen wearables: Smartere diagnostisk helsevesen med ultralydplaster

Bærbar teknologi, eller ‘wearables’, har fått mye oppmerksomhet, både når det gjelder utvikling og bruk. 

Disse elektroniske enhetene er designet for å bæres som tilbehør på brukerens kropp. De kan til og med bli implantert eller integrert i klær. Faktisk, som vi delte, har forskere oppnådd et gjennombrudd innen bærbar teknologi, som gjør det mulig å lage tekstiler som reagerer på bevegelse og temperatur. Hvor spennende er ikke det!

Men hvordan oppnår wearables dette? Vel, de er utstyrt med sensorer for å samle inn data relatert til brukerens helse, trening og miljøforhold. Prosessorer gjør det mulig for dem å håndtere beregninger og utføre sine tiltenkte oppgaver. 

Disse enhetene er også designet for å kommunisere med andre enheter via trådløse teknologier, slik at de kan synkronisere data og få tilgang til ekstra funksjoner gjennom en app.

Bærbar teknologi har flere bruksområder, som navigasjon, interaktiv spilling, forbedring av effektivitet og muliggjøring av kontaktløse betalinger, blant annet, for å forbedre den totale brukeropplevelsen. 

En kritisk anvendelse av wearables i det virkelige liv som vi skal fokusere på i dag er medisin og helsevesen. Bærbare helseteknologier faller faktisk inn i to brede kategorier: forbruker‑grade wearables og medisinsk‑grade wearables. 

Forbruker‑grade wearables som klokker, klær og ringer gjør det mulig for brukere å overvåke sin helse og trening ved å holde styr på målinger som antall skritt, kaloriforbrenning, hjertefrekvens, oksygennivå og søvnmønstre. Å ha sanntids tilgang til verdifulle data gjør at brukerne kan ta bedre vare på seg selv. 

Medisinsk‑grade wearables inkluderer blodtrykksmonitorer, EKG‑monitorer, biosensorer og glukosemonitorer, som blir stadig mer populære for å gi brukerne verdifulle data til å håndtere kroniske sykdommer. Ved å gi pasientene muligheten til å samle inn og få tilgang til sine egne helsedata og deretter rapportere dem, eliminerer denne teknologien behovet for fysiske konsultasjoner. 

Disse enhetene gir også helsepersonell handlingsbare innsikter i sanntid, som også er tilgjengelige eksternt, og hjelper dem med å tilby mer personlig tilpasset behandling. Interessant nok kan vi snart kanskje bruke våre vanlige smarttelefoner som glukosemålere.

Gitt de enorme fordelene med bærbar teknologi, er etterspørselen etter smarte bærbare helsenheter i sterk vekst, og de er anslått til å være verdt 70 milliarder dollar i løpet av de neste fire årene. 

Forbruker‑grade wearables utgjør den største andelen av wearables på grunn av deres økte tilgjengelighet og enkelhet, samt den brede tilgjengeligheten av smarttelefoner som gjør datastyring lett. Medisinsk‑grade wearables må derimot gjennomgå klinisk forskning og få godkjenning fra relevante myndigheter for å samle inn data til klinisk beslutningstaking. 

Bærbar ultralyd‑innovasjon som revolusjonerer helsevesenet

Midt i all spenningen og utviklingen rundt wearables, har forskere kommet opp med en bærbar ultralyd‑enhet som utfører trådløs overvåking av muskelaktivitet. Denne nye teknologien har potensielle anvendelser innen helsevesenet og menneske‑maskin‑grensesnitt. 

Bærbare elektromyografi‑ (EMG)‑enheter kan allerede identifisere muskelaktivitet for å overvåke helse og spore kroppslig bevegelse. Denne tilnærmingen er imidlertid begrenset fordi EMG‑signaler har lav romlig oppløsning, stabilitet og signal‑til‑støy‑forhold. 

EMG‑signaler fra flere muskelfibre har også en tendens til å bli blandet, noe som gjør det vanskelig å isolere bidragene fra en spesifikk muskelfiber. 

Ikke minst er de iboende svake under normal muskelaktivitet. For å kompensere for dette må store elektroder påføres huden for å registrere elektrisk muskelaktivitet, noe som reduserer den romlige oppløsningen.

Et lovende alternativ til denne kliniske standarden er ekkomygrafi (EcMG), som kan oppdage muskelbevegelse ved hjelp av ultralydbølger. Ultralyd, tross alt, trenger gjennom dype vev for å gi høyoppløselig avbildning, og gir detaljerte innsikter i muskelfunksjon. 

Selv om den er trygg, allsidig og tilgjengelig, er problemet med EcMG at den er avhengig av klumpete og komplekse transducer‑arrayer. De begrenser både brukerens mobilitet og har høyt strømforbruk.

Derfor utviklet ingeniører ved University of California San Diego, med støtte fra National Institutes of Health, et fullt integrert bærbart ekkomygrafi‑system. 

Sheng Xu, professor og Jacobs Faculty Scholar i Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and NanoEngineering ved UC San Diego, som ledet denne studien, har tidligere rapportert slike ultralyd‑plaster.

I fjor rapporterte teamet at de oppnådde trådløs kapasitet i dette plasteret. Hovedelementet i den studien var ultralydkretsdesignen. 

I denne forrige enheten erstattet teamet den fleksible kabelen som var koblet til ultralydproben og brukte den til datatransmisjon og strømforsyning.

“(Denne kretsen) kan forhåndsbehandle og trådløst overføre ultralyddata til en bak‑end‑stasjon for videre analyse.”

– Xu sa på den tiden

Fokuset i forrige studie var på kardiovaskulær helse, og maskinlæringsalgoritmen behandlet automatisk signalene og sporet kontinuerlig carotis‑arterien, slik at teamet fikk ultralydinformasjon selv når brukeren av plasteret var i bevegelse. 

“Denne automatiske sporingsalgoritmen gir enestående muligheter for medisinsk ultrasonografi og treningsfysiologi.”

– Muyang Lin, hovedforfatter og Ph.D.-kandidat i Xu‑laboratoriet

Teamet kryssvaliderte sin AI‑modell blant ti friske deltakere fra tre ulike etniske grupper, og neste steg involverte validering av plasteret i en større populasjon. Ifølge Lin:

“Med denne typen enhet håper vi å viske ut grensen mellom hjemmepleie og sykehusdiagnostikk. Vi ser for oss en fremtid hvor diagnoser kan forekomme når som helst og hvor som helst, muliggjort av trådløse enheter som disse.”

Selv om plasteret ble evaluert for overvåking av kardiovaskulære funksjoner, kunne det også brukes på magen og lemmer for henholdsvis diafragma‑ og perifere arterie‑overvåkning, som ble målrettet i den siste studien. For noen måneder siden demonstrerte Xinyi Yang fra Xus lab at det bærbare ultralydplasteret også kan bæres komfortabelt på tinningen for å gi 3D‑data om cerebral blodstrøm.

Utnyttelse av potensialet i menneske‑maskin‑interaksjon

Nå var hovedinnovasjonen i den nyeste forskningen bruken av en enkelt ultralyd‑transducer for å oppdage dype problemer mer effektivt.

Den myke ultralyd‑plasteren her er innkapslet i et fleksibelt silikon‑elastomer‑hus og består av tre hovedkomponenter – en enkelt transducer for å sende og motta ultralydbølger, en tilpasset trådløs krets for databehandling og kontroll av transduceren, samt et innebygd litium‑polymer‑batteri som gir systemet strøm i minst tre timer.

Den enkelte ultralyd‑transduceren, som er hovedinnovasjonen, sender ut ultralydbølger med kontrollert intensitet og fanger opp radiofrekvens‑signaler som bærer informasjon. Dette gjør det mulig med kliniske anvendelser som måling av diafragma‑tykkelse. 

Enheten bruker disse signalene for å oppnå høy romlig oppløsning, noe som er viktig for å isolere spesifikke muskelbevegelser. En tilpasset dyp‑lærings‑algoritme hjalp forskerne med å trekke ytterligere innsikter fra disse signalene.

AI‑algoritmen kartlegger signalene til deres tilsvarende muskelfordeling, og gjør dermed presis deteksjon av bestemte bevegelser fra de innsamlede signalene mulig.

Den batteridrevne enheten kan festes på huden med et lag av klebemiddel for nøyaktig langsiktig trådløs overvåking av muskler.

“Denne teknologien kan potensielt bæres av individer i deres daglige rutiner for kontinuerlig, langsiktig overvåking.”

– Medforfatter Xiangjun Chen, Ph.D.-kandidat i Materials Science and Engineering‑programmet ved UC San Diego

For å demonstrere hva den kan oppnå, brukte teamet enheten til å oppdage diafragma‑aktivitet, som gjør det mulig å gjenkjenne ulike pustemønstre. De fant at deres bærbare enkelt‑transducer‑ekkomygrafi‑system faktisk kan spore og oppdage ulike pustemønstre ved å følge diafragma‑aktivitet med sub‑millimeter‑oppløsning.

Under enhetstesten ble den plassert over ribbeina for å overvåke tykkelsen og bevegelsen til diafragma, noe som hjelper med å vurdere respirasjonshelse.

Tykkelse brukes til å evaluere diafragma‑dysfunksjon og forutsi utfall hos ventilerte pasienter. Ved å analysere muskelbevegelse kan ulike pustemønstre oppdages, noe som kan bidra til diagnostisering av tilstander relatert til uregelmessig pust, som lungebetennelse, astma og kronisk obstruktiv lungesykdom (KOLS).  

I en liten gruppe‑studie klarte enheten å skille mellom pustemønstre hos friske individer og de med KOLS, og demonstrerte dermed enhetens potensial i respiratorisk omsorg.

“Ved å spore diafragma‑aktivitet kan teknologien potensielt støtte pasienter med respirasjonslidelser og de som er avhengige av mekanisk ventilasjon.”

– Studie‑medforfatter Joseph Wang, professor i Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering

Enheten ble deretter brukt på underarmen for å oppdage hånd‑ og håndledd‑muskelaktivitet. Den klarte å gjenkjenne håndbevegelser fra de enkelt‑kanal‑radiofrekvens‑ultralyd‑signalene som ble oppdaget fra underarmsmuskler. 

Den tilpassede dyp‑lærings‑algoritmen gjorde det mulig for teamet å oppdage ulike håndbevegelser mer nøyaktig kun fra ultralyd‑signalene. Totalt ble 13 håndledd‑ledd rapportert som gjenkjent med en gjennomsnittlig feil på kun 7,9°.

Denne bevegelsesdeteksjonen involverte ti fingerledd og tre håndledd‑rotasjonsvinkler, noe som viser at systemet kan fange selv små finger‑ og håndledd‑bevegelser med høy følsomhet. Denne testen demonstrerer potensialet for enhetens bruk som menneske‑maskin‑grensesnitt for å spille et virtuelt spill eller kontrollere en robotarm.

Ifølge studie‑medforfatter Wentong Yue, Ph.D.-kandidat i samme avdeling ved UC San Diego:

“Disse demonstrasjonene understreker teknologiens potensial for proteser, spilling og andre menneske‑maskin‑grensesnitt‑applikasjoner.”

Nå, i de neste stegene, vil forskerne sikte på å forbedre energieffektiviteten, bærbarheten, nøyaktigheten og de beregningsmessige evnene til teknologien.

Fremveksten av bærbare ultralyder som låser opp fremtiden for medisin

Bærbar ultralyd er et medisinsk gjennombrudd som kan revolusjonere helsesektoren. Imidlertid har denne utviklingen pågått en stund nå. Gjennom årene har forskere taklet ulike utfordringer og utviklet forskjellige bærbare ultralyder for bedre fjernovervåkning av pasientens kritiske fysiologiske funksjoner.

Kilde: Wiley Online Library

Tidligere i år oppdaget forskere en flytende metall for å overvinne problemet med akustisk impedans i ultralydsystemer som er avhengige av transducere. Vanligvis blir dette problemet løst med hjelp av tilpassingslag, men de fleste materialene som brukes til dette har vært for stive for bærbare enheter.

For å designe et mer tilpassende, men funksjonelt tilpasningslag, brukte forskerne ulike størrelser og volumer av galliumnedråper i myk silikon. Ved å mette silikon med omtrent 70 % av dråpene, forbedret den resulterende tettheten i tilpasningslaget dens akustiske impedans med over 400 %. Når laget strekkes, likt det som kan oppstå i en bærbar enhet, falt impedansen kun med 13 %.

Teamet integrerte deretter sitt stretchbare tilpasningslag i en bærbar ultralyd‑prototype, som med suksess registrerte den simulerte bevegelsen og demonstrerte sitt potensial som diagnostisk enhet.

For noen år siden utviklet et NIH‑finansiert forskerteam ledet av Dr. Xuanhe Zhao ved MIT også et bærbart ultralyd‑plaster, på størrelse med et tykt postkort, som fester seg til huden både i tørre og våte omgivelser. 

Da det ble testet, ble plasteret funnet å kunne bæres komfortabelt i minst 48 timer og kunne gi kontinuerlig avbildning av muskel, blodkar, hjerte, diafragma, lunge eller mage. Imidlertid måtte plasteret kobles til datasystemer for intensiv databehandling. Men som vi har sett, har den nyeste utviklingen fokusert på å fjerne disse begrensningene samtidig som systemet blir mer effektivt.

“Vi ser for oss flere plaster som festes på ulike steder på kroppen, og plasterne vil kommunisere med mobilen din, hvor AI‑algoritmer analyserer bildene på forespørsel.”

– Zhao sa på den tiden

Dette begynner nå å bli en realitet, med det skotske helseteknologiselskapet Novosound som sikrer et patent for sin bærbare ultralyd tidligere i år. Enheten, som kontinuerlig overvåker pasientens blodstrøm og trykk, er festet til kroppen for å produsere bilder på mobile enheter.

“Dette gjør at vi kan integrere og lisensiere teknologien med smartklokke‑partnere, se dypere inn i kroppen og forbedre målingene deres optiske og elektriske sensorer gir, og åpne den hellige gral for 24/7 blodtrykksmåling på håndleddet.”

– Novosound‑administrerende direktør og medgründer Dr. Dave Hughes

Patenten gir selskapet eksklusive rettigheter til å selge teknologien og pilotprosjekter med store institusjoner, samt engasjement i FoU‑kontrakter for forbruker‑digitale helse‑applikasjoner. Novosound har allerede inngått partnerskap med Texas Medical Center for å utvikle bruksområder for sine ultralyd‑wearables.

Relevante selskaper innen helse‑wearables

Bærbar teknologi er en voksende sektor som har fanget interessen til teknologigiganter som Apple (AAPL ), som har utforsket helserelaterte applikasjoner gjennom sin forbruker‑grade wearables Apple Watch.

Vi vil imidlertid fokusere på selskaper som er aktivt involvert i det medisinske feltet, så her er to fremtredende navn som potensielt kan dra nytte av innovasjoner som bærbar ultralyd.

1. Medtronic

Et globalt ledende selskap innen medisinsk utstyr, Medtronic Public Limited Company, leverer et bredt spekter av helseteknologiløsninger og utforsker wearables for diagnostikk og helsovervåkning, inkludert fjernløsninger.

I 2022 inngikk Medtronic et samarbeid med BioIntelliSense for sin BioButton‑wearable som måler opptil 1 440 vitale tegn per dag, inkludert hvile‑hjertefrekvens, hudtemperatur og hvile‑respirasjonsfrekvens. I år fokuserer selskapet på AI, og ber alle avdelinger om å komme med idéer for å bruke teknologien til å øke produktiviteten.

Med en markedsverdi på 115,56 milliarder dollar, handles Medtronic‑aksjer for øyeblikket til 90,11 dollar, opp 9,38 % i år. Med dette har selskapet en EPS (TTM) på 2,97 og en P/E (TTM) på 30,31, mens de betaler en utbytteavkastning på 3,11 %.

For første kvartal i regnskapsåret 2025, som avsluttes 26. juli 2024, rapporterte Medtronic en omsetning på 7,9 milliarder dollar, en økning på 2,8 %. «Våre underliggende markeder er sunne, vi driver operasjonell strenghet, og ny produktinnovasjon driver diversifisert vekst på tvers av nøkkel‑helseteknologimarkeder», sa administrerende direktør Geoff Martha.

I dette kvartalet økte inntektene for deres kardiovaskulære portefølje med 5,5 % til 3 milliarder dollar, inntektene for nevrovitenskap‑porteføljen økte med 4,4 % til 2,3 milliarder dollar, og diabetes‑segmentet steg med 11,8 % til 647 millioner dollar, mens inntektene for den medisinsk‑kirurgiske porteføljen falt med 0,4 % til 1,996 milliarder dollar.

2. GE HealthCare Technologies

Dette er et medisinsk teknologiselskap som tilbyr innovative ultralyd‑løsninger i tillegg til bildediagnostikk, farmasøytisk diagnostikk (PDx) og pasient‑pleieløsninger (PCS). Gitt deres fokus på ultralyd‑løsninger, kan GE HealthCare potensielt integrere bærbare fremskritt for diagnostisk avbildning.

I år samarbeider selskapet med Biofourmis for å utvide rekkevidden av pasientovervåknings‑teknologi til hjemmene deres. Biofourmis er en virtuell spesialitets‑pleieplattform som kombinerer AI‑algoritmer for å tilby verktøy som hjelper med å overvåke akutte og post‑akutte pasienter eksternt.

For noen år siden lanserte GE HealthCare også trådløse, bærbare sensorer for pasienter å bruke under sykehusopphold, slik at klinikere kan holde oversikt over vitale tegn uten å måtte gjennomføre regelmessige kontroller.

Med en markedsverdi på 39,64 milliarder dollar, handles GE HealthCare‑aksjer for øyeblikket til 86,78,11 dollar, opp 12,23 % i år. Med dette har selskapet en EPS (TTM) på 3,65 og en P/E (TTM) på 23,77, mens de betaler en utbytteavkastning på 0,14 %.

For tredje kvartal 2024 rapporterte GE HealthCare en omsetning på 4,9 milliarder dollar, en økning på 1 % år‑over‑år, mens de bemerket at den positive inntektsveksten i USA ble motvirket av fortsatt markedssvakhet i Kina. Nettoresultatet var 470 millioner dollar, og kontantstrøm fra driftsaktiviteter var 742 millioner dollar, mens fri kontantstrøm var 651 millioner dollar.

“Pågående lean‑initiativer på tvers av organisasjonen leverer bedre verdi til pasienter og kunder og har resultert i robust marginutvidelse.”

– Administrerende direktør Peter Arduini

Konklusjon 

I helsevesenet spiller ultralyd en nøkkelrolle, ved å la klinikere se inn i kroppen vår for å diagnostisere sykdommer og overvåke helse. Derfor er forskere interessert i å integrere denne ikke‑invasive teknikken i bærbare enheter.

Som vi så med den nyeste forskningen, kan den allsidige bærbare ultralyd‑plasteren levere høyoppløselig avbildning av indre vev på farten for ulike kliniske og diagnostiske anvendelser, og innleder en ny æra av personlig tilpasset helsevesen. 

Alt i alt er wearables fremtiden for helsevesenet, selv om bekymringer rundt nøyaktighet og pålitelighet av sensorer og batterilevetid må tas tak i, og bedre tilgang til analyseverktøy bør gis for å høste teknologiens fulle fordeler!

Klikk her for en liste over topp‑wearable helse‑sporings selskaper.