A Próxima Onda em Wearables: Cuidados de Saúde Diagnósticos Mais Inteligentes com Patches de Ultrassom

A tecnologia vestível, ou ‘wearables’, tem ganhado muita atenção, tanto em termos de desenvolvimento quanto de uso. 

Esses dispositivos eletrônicos são projetados para serem usados como acessórios no corpo do usuário. Eles podem até ser implantados ou incorporados em roupas. Na verdade, como compartilhamos, pesquisadores recentemente alcançaram um avanço em tecnologia vestível, possibilitando a criação de tecidos que respondem ao movimento e à temperatura. Que empolgante! 

Mas como os wearables conseguem isso? Bem, eles estão equipados com sensores para coletar dados relacionados à saúde, condicionamento físico e condições ambientais do usuário. Os processadores, por sua vez, permitem que eles realizem cálculos e executem suas tarefas previstas. 

Esses dispositivos são ainda projetados para se comunicar com outros aparelhos por meio de tecnologias sem fio, permitindo sincronizar dados e acessar recursos adicionais através de um aplicativo.

A tecnologia vestível tem vários casos de uso, como navegação, jogos interativos, aumento de eficiência e habilitação de pagamentos sem contato, entre outros, para melhorar a experiência geral do usuário. 

Uma aplicação real crítica dos wearables que vamos focar hoje é a medicina e a saúde. Dispositivos de saúde vestíveis realmente se dividem em duas categorias amplas: wearables de grau de consumo e wearables de grau médico. 

Wearables de grau de consumo, como relógios, roupas e anéis, permitem que os usuários monitorem sua saúde e condicionamento ao acompanhar métricas como passos dados, calorias queimadas, frequência cardíaca, níveis de oxigênio e padrões de sono. O acesso em tempo real a dados valiosos permite que os usuários cuidem melhor de si mesmos. 

Wearables de grau médico, por sua vez, incluem monitores de pressão arterial, monitores de ECG, biossensores e monitores de glicose, que estão se tornando populares por fornecer dados valiosos aos usuários para gerenciar doenças crônicas. Ao dar aos pacientes a capacidade de coletar e acessar seus próprios dados de saúde e então relatá-los, essa tecnologia elimina a necessidade de consultas presenciais. 

Esses dispositivos também oferecem aos profissionais de saúde insights acionáveis em tempo real, que também estão disponíveis remotamente, ajudando-os a fornecer tratamentos mais personalizados. Curiosamente, em breve talvez possamos usar nossos smartphones comuns como glicosímetros. 

Dado os enormes benefícios da tecnologia vestível, há uma demanda crescente por dispositivos de saúde vestíveis inteligentes, que estão previstos para valer 70 bilhões de dólares nos próximos quatro anos. 

Wearables de grau de consumo representam a maior parte dos wearables devido à sua maior disponibilidade e acessibilidade e, claro, à ampla disponibilidade de smartphones que permitem fácil gerenciamento de dados. Wearables de grau médico, por sua vez, precisam passar por pesquisas clínicas e receber aprovação das agências governamentais relevantes para coletar dados para tomada de decisões clínicas. 

Inovação em Ultrassom Vestível Revolucionando a Saúde

Em meio a toda essa empolgação e desenvolvimento em torno dos wearables, pesquisadores criaram um dispositivo de ultrassom vestível que realiza monitoramento sem fio da atividade muscular. Essa nova tecnologia tem aplicações potenciais na saúde e em interfaces homem-máquina. 

Dispositivos vestíveis de eletromiografia (EMG) já conseguem identificar a atividade muscular para monitorar a saúde e rastrear o movimento corporal. No entanto, essa abordagem é bastante limitada devido aos sinais de EMG apresentarem baixa resolução espacial, estabilidade e relação sinal-ruído. 

Os sinais de EMG de múltiplas fibras musculares também tendem a se misturar, dificultando isolar as contribuições da fibra muscular específica. 

Além disso, eles são intrinsecamente fracos durante a atividade muscular normal. Para compensar isso, grandes eletrodos precisam ser aplicados à pele para registrar a atividade elétrica muscular, o que reduz a resolução espacial.

Uma alternativa promissora a esse padrão clínico é a ecomiografia (EcMG), que pode detectar o movimento muscular usando ondas de ultrassom. O ultrassom, afinal, penetra tecidos profundos para fornecer imagens de alta resolução, oferecendo insights detalhados sobre a função muscular. 

Embora seja seguro, versátil e acessível, o problema da EcMG é que depende de arrays de transdutores volumosos e complexos. Eles não apenas limitam a mobilidade do usuário, mas também têm alto consumo de energia.

Assim, engenheiros da University of California San Diego, com apoio dos National Institutes of Health, desenvolveram um sistema de ecomiografia vestível totalmente integrado. 

Sheng Xu, professor e Jacobs Faculty Scholar no Departamento de Química e Nanoengenharia da família Aiiso Yufeng Li na UC San Diego, que liderou este estudo, já havia relatado tais patches de ultrassom.

No ano passado, a equipe relatou alcançar capacidade sem fio neste patch. O elemento chave desse estudo foi o design do circuito de ultrassom. 

Neste dispositivo anterior, a equipe substituiu o cabo flexível conectado à sonda de ultrassom e o utilizou para transmissão de dados e energia.

“(Este circuito) pode pré-processar e transmitir sem fio os dados de ultrassom para uma estação de back-end para análise adicional.”

– Xu disse na época

O foco do estudo anterior foi a saúde cardiovascular, e o algoritmo de aprendizado de máquina processou automaticamente os sinais e rastreou continuamente a artéria carótida, permitindo que a equipe obtivesse informações de ultrassom mesmo quando o usuário do patch estava em movimento. 

“Este algoritmo de rastreamento automático oferece oportunidades sem precedentes para a ultrassonografia médica e a fisiologia do exercício.”

– Muyang Lin, o autor principal e candidato a Ph.D. no Laboratório Xu

A equipe validou cruzadamente seu modelo de IA entre dez sujeitos saudáveis de três grupos raciais diferentes, e o próximo passo envolveu validar o patch em uma população maior. Segundo Lin:

“Com esse tipo de dispositivo, esperamos borrar a fronteira entre cuidados em casa e diagnóstico hospitalar. Prevemos um futuro onde diagnósticos podem ocorrer a qualquer hora e em qualquer lugar, possibilitado por dispositivos sem fio como este.”

Embora o patch tenha sido avaliado para monitoramento de funções cardiovasculares, ele também poderia ser aplicado ao abdômen e aos membros para monitoramento do diafragma e das artérias periféricas, respectivamente, que foram alvos no estudo mais recente. Há alguns meses, Xinyi Yang do laboratório de Xu demonstrou que o patch de ultrassom vestível pode ser confortavelmente usado na têmpora para fornecer dados 3D do fluxo sanguíneo cerebral.

Desbloqueando o Potencial da Interação Homem-Máquina

Agora, a principal inovação da pesquisa mais recente foi usar o único transdutor de ultrassom para detectar questões profundas de forma mais eficaz.

O patch de ultrassom flexível aqui está encapsulado em um invólucro de elastômero de silicone flexível e envolve três elementos principais — um único transdutor para enviar e receber ondas de ultrassom, um circuito sem fio personalizado para processamento de dados e controle do transdutor, e uma bateria de lítio-polímero a bordo para alimentar o sistema por pelo menos três horas.

O único transdutor de ultrassom, que é a principal inovação, emite ondas de ultrassom de intensidade controlada e captura sinais de radiofrequência que carregam informações. Isso permite aplicações clínicas como a medição da espessura do diafragma. 

O dispositivo usa esses sinais para alcançar alta resolução espacial, o que é importante para isolar movimentos musculares específicos. Um algoritmo de deep learning personalizado, por sua vez, ajudou os pesquisadores a extrair insights adicionais desses sinais.

O algoritmo de IA mapeia os sinais para suas respectivas distribuições musculares, permitindo assim a detecção precisa de movimentos particulares a partir dos sinais coletados.

O dispositivo alimentado por bateria pode ser fixado à pele com uma camada adesiva para monitoramento sem fio de longo prazo e preciso dos músculos.

“Esta tecnologia poderia potencialmente ser usada por indivíduos durante suas rotinas diárias para monitoramento contínuo e de longo prazo.”

– Coautor Xiangjun Chen, candidato a Ph.D. no programa de Ciência e Engenharia de Materiais da UC San Diego

Para demonstrar o que pode alcançar, a equipe usou seu dispositivo para detectar a atividade do diafragma, o que permite o reconhecimento de diferentes modos de respiração. Eles descobriram que seu sistema de ecomiografia vestível de transdutor único pode realmente rastrear e detectar diferentes padrões respiratórios ao monitorar a atividade do diafragma com resolução submilimétrica.

Durante os testes do dispositivo, ele foi usado sobre a caixa torácica para monitorar a espessura e o movimento do diafragma, o que ajuda a avaliar a saúde respiratória.

A espessura é usada para avaliar a disfunção do diafragma e prever resultados em pacientes ventilados. Ao analisar o movimento muscular, diferentes padrões respiratórios podem ser detectados, o que pode auxiliar no diagnóstico de condições relacionadas a irregularidades respiratórias, como pneumonia, asma e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC).  

Em um pequeno ensaio grupal, o dispositivo distinguiu com sucesso os padrões respiratórios de indivíduos saudáveis e daqueles com DPOC, demonstrando o potencial do dispositivo em cuidados respiratórios.

“Ao rastrear a atividade do diafragma, a tecnologia poderia potencialmente apoiar pacientes com condições respiratórias e aqueles dependentes de ventilação mecânica.”

– Coautor do estudo Joseph Wang, professor no Departamento de Química e Nanoengenharia da família Aiiso Yufeng Li

O dispositivo foi então usado no antebraço para detectar a atividade muscular da mão e do pulso. Foi constatado que reconheceu com sucesso gestos manuais a partir dos sinais de ultrassom de radiofrequência de canal único que são detectados nos músculos do antebraço. 

O algoritmo de deep learning personalizado permitiu à equipe detectar vários gestos manuais com maior precisão apenas a partir dos sinais de ultrassom. Um total de 13 articulações da mão foram relatadas como reconhecidas com um erro médio de apenas 7,9°.

Essa detecção de movimento envolveu dez articulações dos dedos e três ângulos de rotação do pulso, o que demonstra que o sistema pode capturar até pequenos movimentos dos dedos e do pulso com alta sensibilidade. E esse teste específico demonstra o potencial do uso do dispositivo como interface homem-máquina para jogar um jogo virtual ou controlar um braço robótico.

Segundo o coautor do estudo Wentong Yue, candidato a Ph.D. no mesmo departamento da UC San Diego:

“Essas demonstrações ressaltam o potencial da tecnologia para próteses, jogos e outras aplicações de interface homem-máquina.”

Agora, nos próximos passos, os pesquisadores buscarão aprimorar ainda mais a eficiência energética, portabilidade, precisão e capacidades computacionais da tecnologia.

A Ascensão dos Ultrassons Vestíveis Desbloqueando o Futuro da Medicina

O ultrassom vestível é um avanço médico que pode revolucionar os cuidados de saúde. No entanto, esse progresso vem ocorrendo há algum tempo. Ao longo dos anos, cientistas enfrentaram diversos desafios e desenvolveram diferentes ultrassons vestíveis para melhorar o monitoramento remoto das funções fisiológicas críticas de um paciente.

Fonte: Wiley Online Library

No início deste ano, pesquisadores descobriram um metal líquido para superar o problema de impedância acústica em sistemas de ultrassom que dependem de transdutores. Normalmente, esse problema é resolvido com a ajuda de camadas de correspondência, mas a maioria dos materiais usados para isso tem sido muito rígida para dispositivos vestíveis.

Para projetar uma camada de correspondência mais conformável, porém funcional, os pesquisadores usaram diversos tamanhos e volumes de gotículas à base de gálio em silicone macio. Ao saturar o silicone com cerca de 70% das gotículas, a densidade resultante da camada de correspondência melhorou sua impedância acústica em mais de 400%. Quando esticada, de forma semelhante ao que a camada de correspondência pode suportar como parte de um dispositivo vestível, a impedância diminuiu apenas 13%.

A equipe então integrou sua camada de correspondência extensível em um protótipo de ultrassom vestível, que registrou com sucesso o movimento simulado, demonstrando seu potencial como dispositivo diagnóstico.

Alguns anos atrás, uma equipe de pesquisa financiada pelo NIH liderada pelo Dr. Xuanhe Zhao no MIT também desenvolveu um patch de ultrassom vestível, do tamanho de um selo grosso, que adere à pele em ambientes secos e úmidos. 

Quando testado, constatou-se que o patch podia ser usado confortavelmente por pelo menos 48 horas e era capaz de fornecer imagens contínuas de músculos, vasos sanguíneos, coração, diafragma, pulmão ou estômago. No entanto, o patch precisava ser conectado a sistemas de computador para processamento intensivo de dados. Contudo, como vimos, o avanço mais recente se concentrou em remover essas limitações enquanto tornava o sistema mais eficaz.

“Imaginamos alguns patches aderidos a diferentes locais do corpo, e os patches se comunicariam com seu celular, onde algoritmos de IA analisariam as imagens sob demanda.”

– Zhao disse na época

Isso está começando a se tornar realidade, com a empresa escocesa de tecnologia de saúde Novosound garantindo uma patente para seu ultrassom vestível no início deste ano. O dispositivo, que monitora constantemente o fluxo sanguíneo e a pressão do paciente, é preso ao corpo para produzir imagens em dispositivos móveis.

“Isso nos permite integrar e licenciar a tecnologia com parceiros de smartwatches, olhando mais profundamente dentro do corpo e aprimorando as medições que seus sensores ópticos e elétricos fornecem, abrindo o santo graal do monitoramento de pressão arterial 24/7 no pulso.”

– CEO e cofundador da Novosound Dr. Dave Hughes

A patente não apenas concede à empresa direitos exclusivos de vender a tecnologia e projetos piloto com grandes instituições, mas também envolve contratos de P&D para aplicações de saúde digital ao consumidor. A Novosound já fez parceria com o Texas Medical Center para desenvolver casos de uso para seus ultrassons vestíveis.

Empresas Relevantes nos Wearables de Saúde

A tecnologia vestível é um setor em crescimento que tem capturado o interesse de gigantes da tecnologia como Apple (AAPL ), que tem explorado aplicações relacionadas à saúde através de seu wearable de grau de consumo Apple Watch. 

Nós, porém, nos concentraremos em empresas que estão ativamente envolvidas no campo médico, então aqui estão dois nomes proeminentes que podem potencialmente se beneficiar de inovações como o ultrassom vestível.

1. Medtronic

Um líder global em dispositivos médicos, a Medtronic Public Limited Company, oferece soluções de tecnologia de saúde abrangentes e está explorando wearables para diagnóstico e monitoramento de saúde, incluindo soluções remotas.

Em 2022, a Medtronic fez parceria com a BioIntelliSense para seu wearable BioButton que mede até 1.440 medições de sinais vitais por dia, incluindo frequência cardíaca em repouso, temperatura da pele e frequência respiratória em repouso. Este ano, a empresa está focada em IA, pedindo a cada departamento que proponha ideias para usar a tecnologia a fim de aumentar a produtividade.

Com uma capitalização de mercado de US$ 115,56 bilhões, as ações da Medtronic estão atualmente cotadas a US$ 90,11, alta de 9,38% neste ano. Com isso, a empresa tem um EPS (TTM) de 2,97 e um P/E (TTM) de 30,31, pagando um dividend yield de 3,11%.

Para o primeiro trimestre do ano fiscal de 2025, encerrado em 26 de julho de 2024, a Medtronic relatou uma receita de US$ 7,9 bilhões, um aumento de 2,8%. “Nossos mercados subjacentes estão saudáveis, estamos impulsionando rigor operacional, e a inovação de novos produtos está alimentando crescimento diversificado nos principais mercados de tecnologia de saúde”, disse o CEO Geoff Martha.

Durante este trimestre, a receita de seu Portfólio Cardiovascular subiu 5,5% para US$ 3 bilhões, a receita do Portfólio de Neurociência aumentou 4,4% para US$ 2,3 bilhões, e o segmento de diabetes disparou 11,8% para US$ 647 milhões, enquanto a receita do Portfólio Médico-Cirúrgico diminuiu 0,4% para US$ 1,996 bilhões.

2. GE HealthCare Technologies

Esta é uma empresa de tecnologia médica que oferece soluções inovadoras de ultrassom além de imagem, Diagnósticos Farmacêuticos (PDx) e Soluções de Cuidados ao Paciente (PCS). Dado seu foco em soluções de ultrassom, a GE Healthcare pode potencialmente integrar avanços vestíveis para imagens diagnósticas.

Este ano, a empresa está colaborando com a Biofourmis para expandir o alcance da tecnologia de monitoramento de pacientes para suas casas. A Biofourmis é uma plataforma de cuidados especializados virtuais que combina algoritmos de IA para oferecer ferramentas que ajudam a monitorar pacientes agudos e pós-agudos remotamente.

Alguns anos atrás, a GE Healthcare também lançou sensores sem fio e portáteis para pacientes usarem durante sua internação hospitalar, permitindo que os clínicos acompanhem seus sinais vitais sem precisar de verificações regulares.

Com uma capitalização de mercado de US$ 39,64 bilhões, as ações da GE HealthCare estão atualmente cotadas a US$ 86,78,11, alta de 12,23% neste ano. Com isso, a empresa tem um EPS (TTM) de 3,65 e um P/E (TTM) de 23,77, pagando um dividend yield de 0,14%.

Para o terceiro trimestre de 2024, a GE HealthCare relatou uma receita de US$ 4,9 bilhões, um aumento de 1% em relação ao ano anterior, ao mesmo tempo em que observou que seu crescimento positivo de receita nos EUA foi compensado pela continuidade da fraqueza do mercado na China. Seu lucro líquido foi de US$ 470 milhões, e o fluxo de caixa das atividades operacionais foi de US$ 742 milhões, enquanto o fluxo de caixa livre foi de US$ 651 milhões.

“Iniciativas enxutas contínuas em toda a organização estão entregando melhor valor a pacientes e clientes e resultaram em uma robusta expansão de margem.”

– CEO Peter Arduini

Conclusão 

Na área da saúde, o ultrassom desempenha um papel fundamental, permitindo que os clínicos vejam dentro de nossos corpos para diagnosticar doenças e monitorar a saúde. Portanto, os pesquisadores estão interessados em incorporar essa técnica não invasiva em dispositivos vestíveis. 

Como vimos na pesquisa mais recente, o versátil patch de ultrassom vestível pode fornecer imagens de alta resolução de tecidos internos em movimento para diversas aplicações clínicas e diagnósticas, inaugurando uma nova era de cuidados de saúde personalizados. 

No geral, os wearables são o futuro da saúde, embora preocupações sobre a precisão e confiabilidade dos sensores e a vida útil da bateria precisem ser resolvidas, e melhor acesso a ferramentas analíticas deve ser fornecido para colher todos os benefícios da tecnologia!

Clique aqui para uma lista das principais empresas de rastreamento de saúde vestíveis.