UC San Diegos smarter Hautpatch bietet Echtzeit-Blutdruck, Herzfrequenz und biochemische Überwachung

Ingenieure der University of California San Diego 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 Gerät könnte Personen mit Bluthochdruck und Diabetes zugutekommen – Personen, die auch ein hohes Risiko haben, schwer an COVID-19 zu erkranken. Es könnte auch verwendet werden, um den Beginn von Sepsis zu erkennen, die durch einen plötzlichen Blutdruckabfall begleitet von einem schnellen Anstieg des Laktatspiegels gekennzeichnet ist.

Ein einziger weicher Hautpatch, der all das kann, würde auch eine praktische Alternative für Patienten auf Intensivstationen bieten, einschließlich Säuglinge auf der Neonatologie, die eine kontinuierliche Überwachung von Blutdruck und anderen Vitalzeichen benötigen. Diese Verfahren erfordern derzeit das Einführen von Kathetern tief in die Arterien der Patienten und das Anbinden der Patienten an mehrere Krankenhausmonitore.

„Die Neuheit hier ist, dass wir völlig unterschiedliche Sensoren auf einer einzigen Plattform von der Größe einer Briefmarke zusammenführen“, sagte Joseph Wang, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego. „Wir können so viele Informationen mit diesem einen Wearable sammeln und das auf nicht-invasive Weise, ohne Unbehagen oder Unterbrechungen der täglichen Aktivität.“

Der Patch ist eine dünne Schicht dehnbarer Polymere, die sich der Haut anpasst. 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 Ultraschallwellen 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 des Patches; 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.

Die Forscher interessierten sich für diese speziellen Biomarker, weil sie den Blutdruck beeinflussen. „Wir wählten Parameter, die uns eine genauere, zuverlässigere Blutdruckmessung ermöglichen“, sagte Juliane Sempionatto, Nanoengineering-Doktorandin in Wangs Labor.

„Angenommen, Sie überwachen Ihren Blutdruck und sehen tagsüber Spitzen und denken, dass etwas nicht stimmt. Ein Biomarker-Wert könnte Ihnen sagen, ob diese Spitzen auf Alkohol- oder Koffeinkonsum zurückzuführen sind. Diese Kombination von Sensoren kann Ihnen diese Art von Information geben“, sagte sie.

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 Getränks; und Trinken eines koffeinhaltigen Getränks. Die Messwerte des Patches stimmten eng mit denen kommerzieller Überwachungsgeräte wie Blutdruckmanschette, Laktatmessgerät, Glukosemesser und Alkoholtester überein. Messungen der Koffeinwerte der Träger wurden im Labor durch Messung von mit Koffein versetzten Schweißproben verifiziert.

Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung des Patches war die Beseitigung von Störungen zwischen den Sensorsignalen. Dazu mussten die Forscher den optimalen Abstand zwischen dem Blutdrucksensor und den chemischen Sensoren ermitteln. Sie fanden heraus, dass ein Zentimeter Abstand das Problem löste, während das Gerät so klein wie möglich gehalten wurde.

Die Forscher mussten auch herausfinden, wie man die chemischen Sensoren physisch vor dem Blutdrucksensor abschirmt. 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.

Das Team arbeitet bereits an einer neuen Version des Patches mit noch mehr Sensoren. „Es gibt Möglichkeiten, andere Biomarker zu überwachen, die mit verschiedenen Krankheiten assoziiert sind. Wir möchten diesem Gerät mehr klinischen Wert hinzufügen“, sagte Sempionatto.

Laufende Arbeiten umfassen auch 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.