Nästa våg inom wearables: Smartare diagnostisk sjukvård med ultraljudsplåster

Bärbar teknik, eller ‘wearables’, har fått mycket uppmärksamhet, både när det gäller utveckling och användning. 

Dessa elektroniska enheter är utformade för att bäras som tillbehör på användarens kropp. De kan till och med implanteras eller integreras i kläder. Faktum är att, som vi delade, forskare nyligen uppnådde ett genombrott inom bärbar teknik, vilket möjliggör skapandet av textilier som reagerar på rörelse och temperatur. Hur spännande är det!

Men hur uppnår wearables det? Jo, de är utrustade med sensorer för att samla in data relaterad till användarens hälsa, kondition och miljöförhållanden. Processorer möjliggör samtidigt att de kan hantera beräkningar och utföra sina avsedda uppgifter. 

Dessa enheter är dessutom utformade för att kommunicera med andra enheter via trådlösa teknologier, vilket gör att de kan synkronisera data och få tillgång till ytterligare funktioner via en app.

Bärbar teknik har flera användningsområden, såsom navigation, interaktivt spel, förbättrad effektivitet och möjliggörande av kontaktlösa betalningar, bland annat, för att förbättra den övergripande användarupplevelsen. 

En kritisk verklig tillämpning av wearables som vi kommer att fokusera på idag är medicin och sjukvård. Bärbara hälsovårdsenheter faller faktiskt in i två breda kategorier: konsumentklassade wearables och medicinsklassade wearables. 

Konsumentklassade wearables såsom klockor, kläder och ringar gör det möjligt för användare att övervaka sin hälsa och kondition genom att hålla koll på mätvärden som antal steg, förbrända kalorier, hjärtfrekvens, syrenivåer och sömnmönster. Att ha realtidsåtkomst till värdefull data gör att användare kan ta bättre hand om sig själva. 

Medicinsklassade wearables inkluderar däremot blodtrycksmonitorer, EKG-monitorer, biosensorer och glukosmätare, som blir populära för att ge användare värdefull data för att hantera kroniska sjukdomar. Genom att ge patienter möjlighet att samla in och få åtkomst till sina egna hälsodata och sedan rapportera dem, eliminerar denna teknik behovet av fysiska möten. 

Dessa enheter erbjuder också vårdpersonal handlingsbara insikter i realtid, som också är tillgängliga på distans, och hjälper dem att erbjuda mer personliga behandlingar. Intressant nog kan vi snart till och med använda våra vanliga smartphones som glukosmätare.

Med tanke på de enorma fördelarna med bärbar teknik finns det en blomstrande efterfrågan på smarta bärbara hälsoprodukter, som förväntas vara värda 70 miljarder dollar under de kommande fyra åren. 

Konsumentklassade wearables står för den största andelen av wearables på grund av deras ökade tillgänglighet och åtkomlighet och naturligtvis den breda tillgängligheten av smartphones som möjliggör enkel datahantering. Medicinsklassade wearables måste däremot genomgå klinisk forskning och få godkännande från relevanta myndigheter för att samla in data för kliniska beslut.

Bärbar ultraljudsinnovation som revolutionerar sjukvården

Mitt i all denna spänning och utveckling kring wearables har forskare kommit på en bärbar ultraljudsenhet som utför trådlös övervakning av muskelaktivitet. Denna nya teknik har potentiella tillämpningar inom sjukvård och människa‑maskin‑gränssnitt. 

Bärbara elektromyografi (EMG)-enheter kan redan identifiera muskelaktivitet för att övervaka hälsa och spåra kroppsrörelser. Detta tillvägagångssätt är dock ganska begränsat på grund av att EMG-signaler har låg rumslig upplösning, stabilitet och signal‑till‑brus‑förhållande. 

EMG-signaler från flera muskelfibrer tenderar också att blandas, vilket gör det svårt att isolera bidragen från den specifika muskelfibern. 

För att inte nämna att de är intrinsiskt svaga under normal muskelaktivitet. För att kompensera för detta måste stora elektroder appliceras på huden för att registrera elektrisk muskelaktivitet, vilket minskar den rumsliga upplösningen.

Ett lovande alternativ till denna kliniska standard är ekomyografi (EcMG), som kan upptäcka muskelrörelse med hjälp av ultraljudsvågor. Ultraljud tränger nämligen igenom djup vävnad för att ge högupplöst avbildning, vilket ger detaljerade insikter i muskelns funktion. 

Även om den är säker, mångsidig och tillgänglig, är problemet med EcMG att den förlitar sig på skrymmande och komplexa transducerarrayer. De begränsar inte bara användarens rörlighet utan har också hög energiförbrukning.

Så utvecklade ingenjörer vid University of California San Diego, med stöd från National Institutes of Health, ett fullt integrerat bärbart ekomyografisystem. 

Sheng Xu, professor och Jacobs Faculty Scholar i Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and NanoEngineering vid UC San Diego, som ledde studien, har tidigare rapporterat sådana ultraljudsplåster.

Förra året rapporterade teamet att de uppnådde trådlös funktion i detta plåster. Nyckelelementet i den studien var dess ultraljudskretsdesign. 

I denna tidigare enhet ersatte teamet den flexibla kabeln som var ansluten till ultraljudsproben och använde den för datatransmission och strömförsörjning.

“(Denna krets) kan förbehandla och trådlöst överföra ultraljudsdata till en backend‑station för vidare analys.”

– Xu sade vid tidpunkten

Fokus för studien förra gången var på kardiovaskulär hälsa, och maskininlärningsalgoritmen bearbetade automatiskt signalerna och spårade kontinuerligt halspulsådern, vilket gjorde det möjligt för teamet att få ultraljudsinformation även när plåsterbäraren rörde sig. 

“Denna automatiska spårningsalgoritm ger enastående möjligheter för medicinsk ultraljudsavbildning och träningsfysiologi.”

– Muyang Lin, huvudförfattare och doktorand i Xu‑laboratoriet

Teamet korsvaliderade sin AI-modell bland tio friska försökspersoner från tre olika etniska grupper, och nästa steg innebar att validera plåstret i en större population. Enligt Lin:

“Med den här typen av enhet hoppas vi sudda ut gränsen mellan vård i hemmet och diagnos på sjukhus. Vi förutser en framtid där diagnoser kan ske när som helst och var som helst, möjliggjort av trådlösa enheter som dessa.”

Medan plåstret utvärderades för övervakning av kardiovaskulära funktioner, kunde det också tillämpas på buken och extremiteterna för respektive diafragma‑ och perifera artärövervakning, vilket var målet i den senaste studien. För några månader sedan demonstrerade Xinyi Yang från Xus laboratorium att det bärbara ultraljudsplåstret dessutom kan bäras bekvämt på tinningen för att tillhandahålla 3D-data om cerebral blodflöde.

Utnyttja potentialen i människa‑maskin‑interaktion

Nu var huvudinnovation i den senaste forskningen att använda den enkla ultraljudstransducern för att mer effektivt känna av djupa problem.

Det mjuka ultraljudsplåstret här är inneslutet i ett flexibelt silikonelastomerhölje och omfattar tre huvudkomponenter – en enkel transducer för att sända och ta emot ultraljudsvågor, en anpassad trådlös krets för databehandling och styrning av transducern, samt ett inbyggt litium‑polymerbatteri för att driva systemet i minst tre timmar.

Den enkla ultraljudstransducern, som är huvudinnovationen, avger ultraljudsvågor med kontrollerad intensitet och fångar radiovågsignaler som bär information. Detta möjliggör kliniska tillämpningar som att mäta diafragm tjocklek. 

Enheten använder dessa signaler för att uppnå hög rumslig upplösning, vilket är viktigt för att isolera specifika muskelrörelser. En anpassad djupinlärningsalgoritm hjälpte samtidigt forskarna att extrahera ytterligare insikter från dessa signaler.

AI‑algoritmen kartlägger signalerna till deras motsvarande muskelfördelningar, vilket möjliggör exakt upptäckt av specifika rörelser från de insamlade signalerna.

Den batteridrivna enheten kan fästas på huden med ett lager av lim för exakt långsiktig trådlös övervakning av muskler.

“Denna teknik kan potentiellt bäras av individer under deras dagliga rutiner för kontinuerlig, långsiktig övervakning.”

– Medförfattare Xiangjun Chen, doktorand i programmet för materialvetenskap och ingenjörskonst vid UC San Diego

För att demonstrera vad den kan uppnå använde teamet sin enhet för att upptäcka diafragmaaktivitet, vilket möjliggör igenkänning av olika andningslägen. De fann att deras bärbara enkla‑transducer‑ekomyografisystem faktiskt kan spåra och upptäcka olika andningsmönster genom att följa diafragmaaktivitet med sub‑millimetern upplösning.

Under enhetstestningen bar den över bröstkorgen för att övervaka diafragma tjocklek och rörelse, vilket hjälper till att bedöma andningshälsa.

Tjocklek används för att utvärdera diafragma dysfunktion och förutsäga utfall hos ventilerade patienter. Genom att analysera muskelrörelse kan olika andningsmönster upptäckas, vilket kan hjälpa till att diagnostisera tillstånd relaterade till andningsirregulariteter, såsom lunginflammation, astma och kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL).  

I en liten gruppstudie lyckades enheten framgångsrikt skilja mellan andningsmönstren hos friska individer och de med KOL, vilket visar enhetens potential inom andningsvård.

“Genom att spåra diafragmaaktivitet kan tekniken potentiellt stödja patienter med andningssjukdomar och de som är beroende av mekanisk ventilation.”

– Studien medförfattare Joseph Wang, professor i Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering

Enheten användes sedan på underarmen för att upptäcka hand- och handledsmuskelaktivitet. Det visade sig framgångsrikt känna igen handgester från de enkana kanalens radiovågsultraljudssignaler som upptäcks från underarmsmuskler. 

Den anpassade djupinlärningsalgoritmen gjorde det möjligt för teamet att mer exakt upptäcka olika handgester enbart från ultraljudssignaler. Totalt rapporterades 13 handleder att kunna kännas igen med ett medelfel på endast 7,9°.

Denna rörelsedetektion involverade tio fingerleder och tre handledsrotationsvinklar, vilket visar att systemet kan fånga även små finger- och handledsrörelser med hög känslighet. Och detta specifika test demonstrerar potentialen för enhetens användning som ett människa‑maskin‑gränssnitt för att spela ett virtuellt spel eller styra en robotarm.

Enligt studiens medförfattare Wentong Yue, doktorand i samma avdelning vid UC San Diego:

“Dessa demonstrationer understryker teknikens potential för proteser, spel och andra människa‑maskin‑gränssnittsapplikationer.”

Nu, i nästa steg, kommer forskarna att sträva efter att ytterligare förbättra energieffektiviteten, bärbarheten, noggrannheten och de beräkningsmässiga möjligheterna hos tekniken.

Framväxten av bärbara ultraljud öppnar framtiden för medicin

Bärbart ultraljud är ett medicinskt genombrott som kan revolutionera sjukvården. Denna utveckling har dock pågått ett tag nu. Under åren har forskare tacklat olika utmaningar och utvecklat olika bärbara ultraljud för bättre fjärrövervakning av en patients kritiska fysiologiska funktioner.

Källa: Wiley Online Library

Tidigare i år upptäckte forskare en flytande metall för att övervinna problemet med akustisk impedans i ultraljudssystem som förlitar sig på transducers. Vanligtvis hanteras detta med hjälp av matchningslager, men de flesta material som används för detta har varit för styva för bärbara enheter.

För att designa ett mer anpassningsbart men funktionellt matchningslager använde forskarna olika storlekar och volymer av galliumbaserade droppar i mjuk silikon. Genom att mätta silikon med cirka 70 % av dropparna förbättrades matchningslagrets resulterande densitet och dess akustiska impedans ökade med över 400 %. När det sträcktes, likt vad matchningslagret kan utsättas för som en del av en bärbar enhet, minskade impedansen endast med 13 %.

Teamet integrerade sedan sitt stretchbara matchningslager i en bärbar ultraljudsprototyp, som framgångsrikt registrerade den simulerade rörelsen, vilket demonstrerade dess potential som diagnostisk enhet.

För ett par år sedan utvecklade ett NIH-finansierat forskarteam lett av Dr. Xuanhe Zhao vid MIT också ett bärbart ultraljudsplåster, i storlek med ett tjockt frimärkesformat, som fäster på huden i både torra och våta miljöer. 

När den testades visade det sig att plåstret kunde bäras bekvämt i minst 48 timmar och kunde tillhandahålla kontinuerlig avbildning av muskel, blodkärl, hjärta, diafragma, lungor eller mage. Dock var plåstret tvunget att anslutas till datorsystem för intensiv databehandling. Som vi har sett har den senaste utvecklingen fokuserat på att avlägsna dessa begränsningar samtidigt som systemet görs mer effektivt.

“Vi föreställer oss några plåster som fästs på olika platser på kroppen, och plåstren skulle kommunicera med din mobiltelefon, där AI‑algoritmer analyserar bilderna på begäran.”

– Zhao sade vid tid

Detta börjar nu bli en verklighet, med det skotska hälsoteknikföretaget Novosound säkra ett patent för sitt bärbara ultraljud tidigare i år. Enheten, som kontinuerligt övervakar patientens blodflöde och tryck, är fäst på kroppen för att producera bilder på mobila enheter.

“Detta gör att vi kan integrera och licensiera tekniken med smartwatch‑partners, titta djupare in i kroppen och förbättra de mätningar som deras optiska och elektriska sensorer tillhandahåller, och öppna den heliga graalen för 24/7 blodtrycksövervakning på handleden.”

– Novosound VD och medgrundare Dr. Dave Hughes

Patenten ger företaget inte bara exklusiva rättigheter att sälja tekniken och pilotprojekt med stora institutioner utan även engagemang i FoU‑kontrakt för konsumentapplikationer inom digital hälsa. Novosound har redan samarbetat med Texas Medical Center för att utveckla användningsfall för sina ultraljuds‑wearables.

Relevanta företag inom hälso‑wearables

Bärbar teknik är en växande sektor som har fångat intresset hos teknikjättar som Apple (AAPL ), som har utforskat hälso‑relaterade applikationer genom sin konsumentklassade bärbara Apple Watch.

Vi kommer dock att fokusera på företag som är aktivt involverade i den medicinska sektorn, så här är två framstående namn som potentiellt kan dra nytta av innovationer som bärbart ultraljud.

1. Medtronic

En global ledare inom medicintekniska produkter, Medtronic Public Limited Company, erbjuder ett brett spektrum av hälso‑teknologilösningar och utforskar wearables för diagnostik och hälsomonitorering, inklusive fjärrlösningar.

År 2022 ingick Medtronic ett partnerskap med BioIntelliSense för sin BioButton‑wearable som mäter upp till 1 440 vitala tecken per dag, inklusive vilopuls, hudtemperatur och vilande andningsfrekvens. I år är företaget inriktat på AI och ber varje avdelning komma med idéer för att använda tekniken för att öka produktiviteten.

Med en börsvärde på 115,56 miljarder dollar handlas Medtronic‑aktier för närvarande till 90,11 dollar, upp 9,38 % i år. Företaget har ett EPS (TTM) på 2,97 och ett P/E (TTM) på 30,31 samt betalar en utdelningsavkastning på 3,11 %.

För det första kvartalet av räkenskapsåret 2025, som avslutades den 26 juli 2024, rapporterade Medtronic en omsättning på 7,9 miljarder dollar, en ökning med 2,8 %. “Våra underliggande marknader är friska, vi driver operativ rigor, och ny produktinnovation driver diversifierad tillväxt över nyckelmarknader för hälso‑teknik,” sade VD Geoff Martha.

Under detta kvartal ökade intäkterna för dess kardiovaskulära portfölj med 5,5 % till 3 miljarder dollar, intäkterna för neurovetenskapliga portföljen ökade med 4,4 % till 2,3 miljarder dollar, och diabetessegmentet steg med 11,8 % till 647 miljoner dollar, medan intäkterna för den medicinska kirurgiska portföljen minskade med 0,4 % till 1,996 miljarder dollar.

2. GE HealthCare Technologies

Detta är ett medicintekniskt företag som erbjuder innovativa ultraljudslösningar utöver avbildning, farmaceutisk diagnostik (PDx) och patientvårdslösningar (PCS). Med tanke på dess fokus på ultraljudslösningar kan GE Healthcare potentiellt integrera bärbara framsteg för diagnostisk avbildning.

I år samarbetar företaget med Biofourmis för att utöka räckvidden för patientmonitoreringsteknik till deras hem. Biofourmis är en virtuell specialistvårdsplattform som kombinerar AI‑algoritmer för att erbjuda verktyg som hjälper till att fjärrövervaka akuta och postakuta patienter.

För ett par år sedan lanserade GE Healthcare också trådlösa, bärbara sensorer för patienter att bära under sin sjukhusvistelse, vilket gör att kliniker kan hålla koll på deras vitala tecken utan att behöva genomföra regelbundna kontroller.

Med ett börsvärde på 39,64 miljarder dollar handlas GE HealthCare‑aktier för närvarande till 86,78,11 dollar, upp 12,23 % i år. Företaget har ett EPS (TTM) på 3,65 och ett P/E (TTM) på 23,77 samt betalar en utdelningsavkastning på 0,14 %.

För Q3 2024 rapporterade GE HealthCare en omsättning på 4,9 miljarder dollar, en ökning med 1 % år‑till‑år, samtidigt som man noterade att den positiva intäktstillväxten i USA kompenserades av fortsatt marknadssvaghet i Kina. Dess nettoresultat var 470 miljoner dollar, och kassaflödet från operativa aktiviteter var 742 miljoner dollar, medan fritt kassaflöde var 651 miljoner dollar.

“Pågående effektivitetsinitiativ över hela organisationen levererar bättre värde till patienter och kunder och har resulterat i en robust marginalexpansion.”

– VD Peter Arduini

Slutsats 

Inom sjukvården spelar ultraljud en nyckelroll, vilket gör att kliniker kan se in i våra kroppar för att diagnostisera sjukdomar och övervaka hälsa. Därför är forskare intresserade av att integrera denna icke‑invasiva teknik i bärbara enheter.

Som vi såg med den senaste forskningen kan det mångsidiga bärbara ultraljudsplåstret leverera högupplöst avbildning av interna vävnader på språng för olika kliniska och diagnostiska tillämpningar, vilket inleder en ny era av personlig sjukvård. 

Sammanfattningsvis är wearables framtiden för sjukvården, även om oro kring sensorns noggrannhet och tillförlitlighet samt batteritid måste hanteras, och bättre tillgång till analysverktyg bör tillhandahållas för att skörda teknikens fulla fördelar!

Klicka här för en lista över de bästa bärbara hälso‑spårnings företagen.