Weicher Hals-Patch: Erstes All-in-One-Wearable für kontinuierliche Blutdruck-, Herzfrequenz- und Biochemie-Überwachung

Ingenieure haben einen weichen, dehnbaren Hautpatch entwickelt, der am Hals getragen werden kann, um kontinuierlich Blutdruck und Herzfrequenz zu verfolgen und gleichzeitig den Glukose-, Laktat-, Alkohol- oder Koffeingehalt des Trägers zu messen. Es ist das erste tragbare Gerät, das kardiovaskuläre Signale und mehrere biochemische Werte im menschlichen Körper gleichzeitig überwacht.

Ein solches Wearable könnte von Menschen mit Vorerkrankungen genutzt werden, um ihre Gesundheit regelmäßig selbst zu überwachen. Es eignet sich auch für die Fernüberwachung von Patienten, insbesondere während der COVID-19-Pandemie, wenn persönliche Arztbesuche minimiert werden.

Völlig unterschiedliche Sensoren werden auf einer einzigen kleinen Plattform von der Größe einer Briefmarke zusammengeführt. Jeder Sensor liefert ein separates Bild einer physischen oder chemischen Veränderung. Die Integration aller in einem Patch ermöglicht es, diese verschiedenen Bilder zusammenzufügen, um einen umfassenderen Überblick über die Vorgänge im Körper zu erhalten.

Der Patch besteht aus einer dünnen Schicht dehnbarer Polymere, die sich der Haut anpassen. Er ist mit einem Blutdrucksensor und zwei chemischen Sensoren ausgestattet – einer misst Laktat (ein Biomarker für körperliche Anstrengung), Koffein und Alkohol im Schweiß, der andere den Glukosespiegel in der Interstitialflüssigkeit. Der Patch kann drei Parameter gleichzeitig messen, einen von jedem Sensor: Blutdruck, Glukose und entweder Laktat, Alkohol oder Koffein.

Der Blutdrucksensor sitzt nahe der Mitte des Patches. Er besteht aus einer Reihe kleiner Ultraschallwandler, die mittels leitfähiger Tinte auf dem Patch verschweißt sind. Eine an die Wandler angelegte Spannung bewirkt, dass sie Ultraschallwellen in den Körper senden. Wenn die Wellen an einer Arterie reflektiert werden, detektiert der Sensor die Echos und wandelt die Signale in einen Blutdruckwert um.

Die chemischen Sensoren sind zwei Elektroden, die mit leitfähiger Tinte auf den Patch gedruckt sind. Die Elektrode, die Laktat, Koffein und Alkohol detektiert, befindet sich auf der rechten Seite; sie funktioniert, indem sie ein Medikament namens Pilocarpin in die Haut abgibt, um Schweiß zu induzieren, und die chemischen Substanzen im Schweiß detektiert. Die andere Elektrode, die Glukose misst, ist auf der linken Seite gedruckt; sie leitet einen schwachen elektrischen Strom durch die Haut, um Interstitialflüssigkeit freizusetzen und den Glukosegehalt darin zu messen.

In Tests trugen Probanden den Patch am Hals, während sie verschiedene Kombinationen der folgenden Aufgaben ausführten: Training auf einem Fahrradergometer, Essen einer zuckerreichen Mahlzeit, Trinken eines alkoholischen und eines koffeinhaltigen Getränks. Die Messwerte des Patches stimmten eng mit denen kommerzieller Überwachungsgeräte wie Blutdruckmanschette, Laktatmessgerät, Glukosemesser und Alkoholtester überein.

Eine der größten Herausforderungen war die Beseitigung von Störungen zwischen den Sensorsignalen. Dazu mussten die Forscher den optimalen Abstand zwischen dem Blutdrucksensor und den chemischen Sensoren ermitteln. Ein Zentimeter Abstand erwies sich als ideal, um das Gerät so klein wie möglich zu halten.

Zudem mussten sie die chemischen Sensoren physisch vor dem Blutdrucksensor abschirmen. Letzterer wird normalerweise mit flüssigem Ultraschallgel betrieben, um klare Messwerte zu erhalten. Da die chemischen Sensoren jedoch ihre eigenen Hydrogele besitzen, würde auslaufendes Gel Störungen verursachen. Stattdessen verwendeten die Forscher ein festes Ultraschallgel, das genauso gut funktioniert, aber nicht ausläuft.

Die laufende Arbeit umfasst die Verkleinerung der Elektronik für den Blutdrucksensor. Derzeit muss der Sensor an eine Stromquelle und ein Tischgerät zur Anzeige der Messwerte angeschlossen sein. Das ultimative Ziel ist es, all dies auf dem Patch unterzubringen und alles kabellos zu machen.