Nieuwe aanpak moet doorbraak ultrasone wearables versnellen

Onderzoekers uit Freiberg, Zürich en Bologna pleiten voor open ontwikkelplatforms om de ontwikkeling van draagbare ultrasone systemen te versnellen. Hoewel ultrasone pleisters inmiddels urenlang processen diep in het lichaam kunnen meten, halen veel veelbelovende prototypes de praktijk niet. Met gestandaardiseerde platforms moeten onderzoekers toepassingen eenvoudiger kunnen ontwikkelen, testen en onderling vergelijken.

In een bijdrage in Nature Sensors beschrijven Christian Kupsch van de TU Bergakademie Freiberg en zijn coauteurs de obstakels die de stap van het laboratorium naar praktisch bruikbare toepassingen bemoeilijken. De technische basis is volgens hen inmiddels aanwezig, maar het ontbreken van open ontwikkelplatforms remt de verdere ontwikkeling. Wie een nieuwe medische toepassing wil onderzoeken, moet nu vaak eerst zelf een geschikt ultrasoon systeem bouwen. Volgens Kupsch „slagen de meeste veelbelovende prototypes er niet in de overstap te maken van het laboratorium naar de praktijk“. Open platforms moeten helpen om die kloof tussen onderzoek en toepassing te verkleinen.

Ultrasoon 'kijkt dieper'

Ultrasone pleisters zijn slechts enkele centimeters groot en worden rechtstreeks op de huid gedragen. Waar optische sensoren vooral veranderingen dicht onder het huidoppervlak registreren en elektroden elektrische signalen op de huid meten, kan ultrasoon informatie leveren over dieper gelegen structuren zoals spieren, vaatwanden en het hart.

Technisch gezien moeten deze kleine wearables veel functies van traditionele ultrasone apparatuur overnemen. Een transducer stuurt ultrasone pulsen het lichaam in en vangt de echo's daarvan op. Elektronica versterkt en digitaliseert de zwakke signalen. Vervolgens worden de gegevens direct verwerkt of draadloos naar een extern apparaat gestuurd.

Ontwikkelaars moeten daarbij verschillende eisen tegen elkaar afwegen. Een groter aantal afzonderlijk aanstuurbare elementen in de transducer maakt gedetailleerdere metingen en complexere beeldvorming mogelijk. Tegelijkertijd nemen het datavolume, de benodigde rekenkracht en het energieverbruik toe. Ook de keuze om gegevens direct op de wearable te verwerken of als ruwe data door te sturen, is bepalend voor het technische ontwerp.

Modulaire platforms

Open platforms kunnen het ontwikkelproces vereenvoudigen. Daarbij worden verschillende functies ondergebracht in verwisselbare hardware- en softwaremodules. Transducers, elektronica en analysemethoden kunnen daardoor voor verschillende toepassingen opnieuw worden gecombineerd.

Een voorbeeld is het in 2022 gepresenteerde platform WULPUS. Het systeem meet 46 bij 25 millimeter, weegt 13 gram en verbruikt minder dan 25 milliwatt. Acht kanalen worden achtereenvolgens uitgelezen, waarna de ruwe gegevens via Bluetooth naar een extern apparaat worden verzonden. Volgens de huidige ontwikkelaarsdocumentatie bedraagt het energieverbruik in de modus voor ruwe data 22 milliwatt. Met een kleine batterij kan het systeem daardoor meerdere dagen functioneren.

TinyProbe kiest voor een andere aanpak. Dit systeem beschikt over 32 zend- en ontvangstkanalen en kan tweedimensionale ultrasone beelden maken en met behulp van Doppler bloedstromen meten. De grotere hoeveelheden gegevens worden via wifi verzonden. Tijdens beeldvorming verbruikt het systeem bijna één watt en kan het met een kleine batterij enkele uren worden gebruikt. Bij ModulUS staat juist modulariteit centraal. De zendelektronica, ontvangstmodule, digitalisering en verwerking zijn verdeeld over vier printplaten. Afzonderlijke componenten kunnen daardoor worden vervangen zonder dat het volledige systeem opnieuw hoeft te worden ontwikkeld.

Twaalf uur continu meten

Een systeem van de University of California San Diego laat zien wat draagbare ultrasone technologie inmiddels kan. De volledig geïntegreerde wearable kon fysiologische signalen meten vanuit weefsel op een diepte tot 164 millimeter.

Terwijl proefpersonen bewogen, monitorde het systeem tot twaalf uur lang de centrale bloeddruk, hartslag en het hartminuutvolume. Machine learning hielp om de relevante weefselstructuren ondanks de bewegingen te blijven volgen en de meetgegevens te analyseren. Het onderzoek werd in 2023 online en in 2024 in gedrukte vorm gepubliceerd in Nature Biotechnology.

De praktijk

Een technisch werkend prototype is echter niet voldoende voor toepassing in de praktijk. Ultrasone pleisters moeten gedurende langere tijd betrouwbaar op de huid blijven zitten zonder irritatie te veroorzaken. Ook tijdens beweging mag het contact niet worden onderbroken, omdat anders het ultrasone signaal verloren gaat.

Daarnaast gelden eisen op het gebied van gegevensbescherming, veiligheid en klinische validatie. Ontwikkelaars moeten aantonen dat de systemen betrouwbaar meten en veilig kunnen worden gebruikt. Volgens de onderzoekers is daarom niet alleen de kwaliteit van afzonderlijke componenten van belang. "We moeten begrijpen hoe transducer, elektronica, signaalverwerking, communicatie en de betreffende toepassing als één geheel samenwerken", zegt Kupsch.

Open ontwikkelplatforms kunnen helpen om deze onderdelen systematisch met elkaar te verbinden en technologie voor verschillende toepassingen sneller verder te ontwikkelen. Daarmee moet de aanpak eraan bijdragen dat draagbare ultrasone systemen vaker de stap maken van het onderzoekslaboratorium naar praktisch bruikbare toepassingen.

Sensor voor hart- en longgeluiden

Onlangs ontwikkelden Australische onderzoekers een ultradunne draagbare sensor waarmee hart- en longgeluiden continu kunnen worden gemonitord. De zogeheten AusculPatch kan in de toekomst mogelijk worden ingezet voor thuismonitoring, met name bij patiënten met chronische hart- en longaandoeningen. De flexibele sensor weegt 3,2 gram, meet ongeveer 20 bij 47 millimeter en wordt met medische tape op de borst of boven een slagader bevestigd.

Een ultradunne siliciumsensor registreert mechanische trillingen die via het lichaamsweefsel worden doorgegeven, waaronder hartgeluiden, ademhalingspatronen, bloedstroomtrillingen en pulsgolven. Daarbij kan de technologie ook zeer laagfrequente trillingen detecteren die voor bestaande wearables moeilijk waarneembaar zijn. Tijdens eerste tests bleek de AusculPatch bovendien omgevingsgeluiden effectief te kunnen filteren en betrouwbare metingen te leveren terwijl proefpersonen spraken of zich in een rumoerige omgeving bevonden.