I ricercatori della Northwestern University introducono uno stetoscopio indossabile wireless per il monitoraggio continuo dei parametri vitali

Gli indossabili, primi nel loro genere, catturano i suoni del corpo per monitorare continuamente la salute
I nuovi dispositivi sono stati testati su una serie di pazienti, dai neonati prematuri agli anziani

Data di rilascio: 16 novembre 2023

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Dai battiti del cuore ai gorgoglii dello stomaco, i suoni contengono importanti informazioni sulla salute
Nuovi dispositivi wireless si appoggiano sulla pelle per catturare continuamente i suoni, poi trasmettono i dati a smartphone o tablet in tempo reale
I dispositivi separano i suoni all'interno del corpo dal rumore ambientale esterno al corpo
In studi pilota, i dispositivi hanno tracciato con precisione i suoni associati alla funzione cardiorespiratoria, all'attività gastrointestinale, alla deglutizione e alla respirazione
I dispositivi sono particolarmente preziosi per i neonati prematuri, che possono avere apnee e complicazioni gastrointestinali, che sono accompagnati da suoni

EVANSTON, Ill. - Anche durante le visite di routine, i medici ascoltano i suoni all'interno del corpo dei loro pazienti: l'aria che entra ed esce dai polmoni, i battiti del cuore e persino il cibo digerito che avanza attraverso il lungo tratto gastrointestinale. Questi suoni forniscono informazioni preziose sulla salute di una persona. E quando questi suoni cambiano sottilmente o si interrompono del tutto, possono segnalare un problema serio che richiede un intervento tempestivo.

Ora, i ricercatori della Northwestern University stanno introducendo nuovi dispositivi indossabili morbidi e miniaturizzati che vanno ben oltre le misurazioni episodiche ottenute durante le visite mediche occasionali. Aderendo morbidamente alla pelle, i dispositivi rilevano continuamente questi suoni sottili, simultaneamente e in modalità wireless, in più punti di quasi tutte le regioni del corpo.

Il nuovo studio è stato pubblicato oggi (16 novembre) sulla rivista Nature Medicine.

Negli studi pilota, i ricercatori hanno testato i dispositivi su 15 neonati prematuri con disturbi della motilità respiratoria e intestinale e su 55 adulti, tra cui 20 con malattie polmonari croniche. Non solo i dispositivi hanno funzionato con una precisione di livello clinico, ma hanno anche offerto nuove funzionalità che non sono state sviluppate né introdotte nella ricerca o nell'assistenza clinica.

"Attualmente, non esistono metodi per il monitoraggio continuo e la mappatura spaziale dei suoni del corpo a casa o in ospedale", ha detto John A. Rogers della Northwestern, un pioniere della bioelettronica che ha guidato lo sviluppo del dispositivo. "I medici devono applicare uno stetoscopio convenzionale o digitale su diverse parti del torace e della schiena per ascoltare i polmoni punto per punto. In stretta collaborazione con i nostri team clinici, ci siamo proposti di sviluppare una nuova strategia per monitorare i pazienti in tempo reale, su base continua e senza gli ostacoli associati alla tecnologia rigida, cablata e ingombrante"

"L'idea alla base di questi dispositivi è di fornire una valutazione altamente accurata e continua della salute del paziente, per poi prendere decisioni cliniche negli ambulatori o quando i pazienti sono ricoverati in ospedale o attaccati ai ventilatori", ha detto il dottor Ankit Bharat, chirurgo toracico presso la Northwestern Medicine, che ha guidato la ricerca clinica nei soggetti adulti. "Un vantaggio chiave di questo dispositivo è la possibilità di ascoltare e confrontare simultaneamente diverse regioni dei polmoni. In poche parole, è come se 13 medici altamente qualificati ascoltassero simultaneamente diverse regioni dei polmoni con i loro stetoscopi, e le loro menti fossero sincronizzate per creare una valutazione continua e dinamica della salute dei polmoni, che viene tradotta in un filmato sullo schermo di un computer reale"

Rogers è il professore Louis Simpson e Kimberly Querrey di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Ingegneria Biomedica e Chirurgia Neurologica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern e la Northwestern University Feinberg School of Medicine. Dirige anche il Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Bharat è il capo della chirurgia toracica e il professore di chirurgia Harold L. e Margaret N. Method alla Feinberg. In qualità di direttore del Northwestern Medicine Canning Thoracic Institute, Bharat ha eseguito il primo trapianto di polmone doppio su pazienti COVID-19 negli Stati Uniti e ha avviato un programma di trapianto di polmone, primo nel suo genere, per alcuni pazienti con tumori polmonari al quarto stadio.

Rete di rilevamento completa e non invasiva

Contenendo coppie di microfoni digitali ad alte prestazioni e accelerometri, i dispositivi piccoli e leggeri aderiscono delicatamente alla pelle per creare una rete di rilevamento completa e non invasiva. Catturando simultaneamente i suoni e correlandoli ai processi corporei, i dispositivi mappano spazialmente il modo in cui l'aria entra, attraversa ed esce dai polmoni, nonché il modo in cui il ritmo cardiaco cambia in vari stati di riposo e di attività e il modo in cui il cibo, i gas e i fluidi si muovono attraverso l'intestino.

Incapsulato in morbido silicone, ogni dispositivo misura 40 millimetri di lunghezza, 20 millimetri di larghezza e 8 millimetri di spessore. All'interno di questo piccolo ingombro, il dispositivo contiene un'unità di memoria flash, una minuscola batteria, componenti elettronici, funzionalità Bluetooth e due piccoli microfoni, uno rivolto verso l'interno del corpo e l'altro verso l'esterno. Catturando i suoni in entrambe le direzioni, un algoritmo può separare i suoni esterni (ambiente o organo vicino) da quelli interni del corpo.

"I polmoni non producono abbastanza suoni perché una persona normale possa sentirli", ha detto Bharat. "Non sono abbastanza rumorosi, e gli ospedali possono essere luoghi rumorosi. Quando ci sono persone che parlano nelle vicinanze o macchine che suonano, può essere incredibilmente difficile. Un aspetto importante della nostra tecnologia è che può correggere questi suoni ambientali"

Non solo la cattura del rumore ambientale consente la cancellazione del rumore, ma fornisce anche informazioni contestuali sull'ambiente circostante dei pazienti, che è particolarmente importante quando si trattano bambini prematuri.

"Indipendentemente dalla posizione del dispositivo, la registrazione continua dell'ambiente sonoro fornisce dati oggettivi sui livelli di rumore a cui sono esposti i neonati", ha detto il Dr. Wissam Shalish, neonatologo presso l'Ospedale Pediatrico di Montreal e co-first author dell'articolo. "Offre anche l'opportunità immediata di affrontare qualsiasi fonte di stimoli uditivi stressanti o potenzialmente compromettenti"

Monitoraggio non invasivo della respirazione dei neonati

Nello sviluppare i nuovi dispositivi, i ricercatori hanno pensato a due comunità vulnerabili: i neonati prematuri nell'unità di terapia intensiva neonatale (NICU) e gli adulti dopo un intervento chirurgico. Nel terzo trimestre di gravidanza, il sistema respiratorio dei bambini matura, in modo che possano respirare al di fuori del grembo materno. I bambini nati prima o nelle prime fasi del terzo trimestre, quindi, hanno maggiori probabilità di sviluppare problemi polmonari e complicazioni respiratorie.

Particolarmente comuni nei bambini prematuri, le apnee sono una delle principali cause di ospedalizzazione prolungata e potenzialmente di morte. Quando si verificano le apnee, i neonati non respirano (a causa di centri respiratori immaturi nel cervello) o hanno un'ostruzione nelle vie aeree che limita il flusso d'aria. Alcuni bambini possono anche avere una combinazione delle due cose. Tuttavia, non esistono metodi attuali per monitorare continuamente il flusso d'aria al capezzale e per distinguere accuratamente i sottotipi di apnea, soprattutto in questi neonati più vulnerabili nella NICU clinica.

"Molti di questi bambini sono più piccoli di uno stetoscopio, quindi sono già tecnicamente difficili da monitorare", ha detto la Dr.ssa Debra E. Weese-Mayer, co-autrice dello studio, capo della medicina autonomica presso l'Ann & Robert H. Lurie Children's Hospital di Chicago e Professore di Medicina Autonomica Beatrice Cummings Mayer al Feinberg. "Il bello di questi nuovi dispositivi acustici è che possono monitorare in modo non invasivo un bambino in modo continuo - durante la veglia e il sonno - senza disturbarlo. Questi dispositivi acustici indossabili offrono l'opportunità di determinare in modo sicuro e non invasivo la 'firma' di ciascun neonato, pertinente al movimento dell'aria (entrata e uscita dalle vie respiratorie e dai polmoni), ai suoni cardiaci e alla motilità intestinale, giorno e notte, con attenzione alla ritmicità circadiana. Inoltre, questi indossabili monitorano simultaneamente il rumore ambientale che potrebbe influenzare la 'firma' acustica interna e/o introdurre altri stimoli che potrebbero influenzare la crescita e lo sviluppo sani"

Negli studi collaborativi condotti presso l'Ospedale Pediatrico di Montreal in Canada, gli operatori sanitari hanno posizionato i dispositivi acustici sui neonati appena sotto la tacca soprasternale alla base della gola. I dispositivi hanno rilevato con successo la presenza di movimenti del flusso d'aria e del torace e sono stati in grado di stimare il grado di ostruzione del flusso d'aria con un'elevata affidabilità, consentendo quindi l'identificazione e la classificazione di tutti i sottotipi di apnea.

"Quando vengono posizionati sulla tacca soprasternale, la maggiore capacità di rilevare e classificare le apnee potrebbe portare a una cura più mirata e personalizzata, a un miglioramento degli esiti e a una riduzione della durata del ricovero e dei costi", ha detto Shalish. "Quando viene posizionato sul torace destro e sinistro dei neonati in condizioni critiche, il feedback in tempo reale trasmesso ogni volta che l'ingresso dell'aria diminuisce su un lato rispetto all'altro, potrebbe allertare tempestivamente i medici di una possibile patologia che richiede un intervento immediato"

Tracciare la digestione dei neonati

Nei bambini e nei neonati, i problemi cardiorespiratori e gastrointestinali sono le principali cause di morte nei primi cinque anni di vita. I problemi gastrointestinali, in particolare, sono accompagnati da suoni intestinali ridotti, che potrebbero essere utilizzati come un segnale di allarme precoce di problemi di digestione, dismotilità intestinale e potenziali ostruzioni. Quindi, come parte dello studio pilota nella NICU, i ricercatori hanno utilizzato i dispositivi per monitorare questi suoni.

Nello studio, i neonati prematuri indossavano dei sensori in quattro punti dell'addome. I primi risultati sono stati in linea con le misurazioni della motilità intestinale degli adulti con sistemi a filo, che rappresentano l'attuale standard di cura.

"Quando vengono posizionati sull'addome, il rilevamento automatico di suoni intestinali ridotti potrebbe allertare il medico di un'imminente complicazione gastrointestinale (a volte pericolosa per la vita)", ha detto Shalish. "Mentre un miglioramento dei suoni intestinali potrebbe indicare segni di recupero intestinale, soprattutto dopo un intervento chirurgico gastrointestinale"

"La motilità intestinale ha i suoi modelli acustici e le sue qualità tonali", ha detto Weese-Mayer. "Una volta caratterizzata la 'firma' acustica di un singolo paziente, le deviazioni da quella firma personalizzata hanno il potenziale di allertare l'individuo e il team di assistenza sanitaria di un'imminente malattia, mentre c'è ancora tempo per intervenire per ripristinare la salute"

Oltre a offrire un monitoraggio continuo, i dispositivi hanno anche svincolato i bambini della Terapia Intensiva Neonatale dalla varietà di sensori, fili e cavi collegati ai monitor da letto.

Mappare un singolo respiro

Oltre allo studio in terapia intensiva neonatale, i ricercatori hanno testato i dispositivi su pazienti adulti, tra cui 35 adulti con malattie polmonari croniche e 20 controlli sani. In tutti i soggetti, i dispositivi hanno catturato la distribuzione dei suoni polmonari e dei movimenti del corpo in varie posizioni simultaneamente, consentendo ai ricercatori di analizzare un singolo respiro attraverso una serie di regioni nei polmoni.

"Come medici, spesso non capiamo come funziona una regione specifica dei polmoni", ha detto Bharat. "Con questi sensori wireless, possiamo catturare diverse regioni dei polmoni e valutare le loro prestazioni specifiche e le prestazioni di ciascuna regione rispetto all'altra"

Nel 2020, le malattie cardiovascolari e respiratorie hanno causato quasi 800.000 vittime negli Stati Uniti, diventando la prima e la terza causa di morte negli adulti, secondo i Centri per il Controllo e la Prevenzione delle Malattie. Con l'obiettivo di aiutare a guidare le decisioni cliniche e migliorare i risultati, i ricercatori sperano che i loro nuovi dispositivi possano ridurre questi numeri e salvare vite umane.

"I polmoni possono emettere ogni tipo di suono, tra cui crepitii, rantoli, increspature e ululati", ha detto Bharat. "È un microambiente affascinante. Monitorando continuamente questi suoni in tempo reale, possiamo determinare se la salute dei polmoni sta migliorando o peggiorando e valutare la risposta del paziente a un determinato farmaco o trattamento. Quindi possiamo personalizzare i trattamenti per i singoli pazienti" Lo studio, "Sensori acusto-meccanici wireless a banda larga come reti di area corporea per il monitoraggio fisiologico continuo", è stato sostenuto dal Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics della Northwestern University. I co-firmatari del lavoro sono Jae-Young Yoo della Northwestern, Seyong Oh della Hanyang University in Corea e Wissam Shalish del McGill University Health Centre.