Von der NASA unterstützte Smartwatch bietet medizinische Überwachung für Astronauten und Patienten

Das EmbracePlus wurde mit Mitteln eines von der NASA unterstützten Konsortiums entwickelt und kombiniert medizinische Fähigkeiten und Präzision mit dem Aussehen, der Haptik und dem Komfort eines Verbraucherprodukts. (Bild:Empatica Inc.)

Das Leben der Astronauten auf der Internationalen Raumstation war größtenteils weniger anstrengend als zu Zeiten der Raumfähren, als Missionen oft viele Ziele und Meilensteine in einem kurzen Zeitraum beinhalteten. Dies sei jedoch nicht der Fall für die ersten Astronauten, die während des Artemis-Programms zur Mondoberfläche reisen, sagte Alexandra Whitmire, eine NASA-Wissenschaftlerin, deren Aufgabe das Wohlbefinden und die Leistung der Astronauten ist.

„Artemis-Missionen werden sehr ehrgeizig sein, da die Besatzungen viele Aufgaben erledigen müssen, manchmal über längere Arbeitszeiten oder Nachtschichten hinweg“, sagte sie. „Ihre Zeitpläne werden wahrscheinlich den Schlafrhythmus stören, ähnlich wie wir es in den Shuttle-Tagen erlebt haben.“

Als Wissenschaftsmanager für den Bereich „Human Factors and Behavioral Performance“ des Human Research Program der NASA sucht Whitmire nach den besten Möglichkeiten, den Schlaf von Astronauten zu überwachen und zu unterstützen, um ihre Sicherheit und Leistung zu gewährleisten. Und ihres ist nur eines von fünf Elementen im Human Research Program am Johnson Space Center der NASA in Houston. Andere haben Bedenken wie die körperliche Betätigung und den medizinischen Bedarf von Astronauten und den Schutz ihrer Gesundheit vor Gefahren der Weltraumumgebung, wie etwa Strahlung.

Die meisten Bemühungen des Programms könnten von einem tragbaren Gerät profitieren, das die Physiologie von Astronauten messen und auf verschiedene Weise Feedback dazu geben kann. Aus diesem Grund wurden Whitmire im Jahr 2020 die neuesten Arbeiten des medizinischen Wearable-Technologieunternehmens Empatica Inc. aus Cambridge, MA, präsentiert.

Mit Hilfe der NASA und unter Berücksichtigung der Bedürfnisse der Agentur hatte das Unternehmen eine Smartwatch entwickelt, die fünf Sensoren in einem kleinen, komfortablen und attraktiven Design vereint und jetzt als EmbracePlus im Handel erhältlich ist.

Die Entwicklung des Prototyps des Geräts wurde teilweise durch einen Zuschuss des Translational Research Institute for Space Health (TRISH) finanziert, einem Forschungskonsortium, das nach Möglichkeiten sucht, die Risiken für Astronauten auf langen Missionen zu verringern. TRISH wird vom Johnson and Baylor College of Medicine finanziert.

Empatica hatte zuvor eine wissenschaftlich hochwertige Smartwatch namens E4 auf den Markt gebracht, die hauptsächlich für den Einsatz in akademischer Forschung und klinischen Studien gedacht war, sowie eine Smartwatch zur Erkennung epileptischer Anfälle zur Alarmierung von Pflegekräften namens Embrace2, die für den täglichen Gebrauch attraktiv und komfortabel sein sollte.

Für das EmbracePlus wollte das Unternehmen das ansprechende Erscheinungsbild des Embrace2 mit den Fähigkeiten des E4 kombinieren. Dazu gehörten ein Beschleunigungsmesser zur Erkennung von Bewegungen, ein Temperatursensor, ein Infrarotsensor zur Überwachung der Herz- und Atemaktivität und ein weiterer zur Erkennung elektrischer Aktivitäten in der Haut, die mit der Aktivität des Nervensystems korrelieren. Das EmbracePlus verfügt außerdem über ein Gyroskop für eine genauere Bewegungserkennung.

„EmbracePlus kombiniert das schöne Design von Embrace2 mit den Datenerfassungsfunktionen des E4, sodass es sich um ein medizinisches Gerät mit Verbraucher-Look und -Feeling handelt, das problemlos im Alltag getragen werden kann“, sagte Simone Tognetti, Chief Technology Officer bei Empatica.

Die mit Hilfe der TRISH-Finanzierung durchgeführte Entwicklung umfasste unter anderem die Evaluierung verschiedener Sensoren zur Erkennung von Herzfrequenz und Sauerstofffluss, die Durchführung von Tests zu kritischen Funktionen, die Integration aller Komponenten und Designelemente, die Bestimmung des komfortabelsten Formfaktors und die Auswahl eines Displays.

„Die Finanzierung ermöglichte uns die Implementierung wichtiger technischer Funktionen, wie beispielsweise die Platzierung der elektrodermalen Aktivitätssensoren an einem bequemen, abnehmbaren Riemen“, sagte Tognetti und bezog sich dabei auf die Sensoren für elektrische Aktivität in der Haut. „Dies war das Ergebnis umfangreicher Forschung und Entwicklung in den Bereichen Herstellung, elektrische Verbindung und Signalqualität verschiedener Konstruktionen.“

Der Bedarf des Human Research Program an einem Gerät, das von Astronauten im Weltraum und sogar bei Studien am Boden verwendet werden kann, prägte auch die Uhren. Whitmire betonte, dass ein kleines, leichtes und komfortables Design für das Raumfahrtprogramm von entscheidender Bedeutung sei. „Man braucht wirklich ein Gerät, das nicht aufdringlich und nicht belastend ist, sodass es an sich keinen Stressfaktor darstellt“, sagte sie.

Tognetti sagte, die NASA verlange außerdem, dass die Technologie energieeffizient, einfach zu bedienen und robust genug sei, um in der rauen Weltraumumgebung zu funktionieren. „Wir verfügen über anpassbare Hardwaremodi, um die Datenerfassung mit der Akkulaufzeit zu optimieren, einen integrierten Speicher, der bei geringer Konnektivität Daten im Wert von bis zu 55 Tagen speichern kann, und ein Display mit geringem Stromverbrauch, das auch bei der Fehlerbehebung hilft“, sagte er.

Währenddessen sammelt das Gerät automatisch und kontinuierlich Daten und streamt sie über Bluetooth an seine Begleit-App, die sie in die Cloud überträgt. „Der Benutzer muss lediglich sicherstellen, dass das Gerät aufgeladen und angeschlossen ist“, sagte er und wies darauf hin, dass die App die Benutzer auch an diese Schritte erinnern wird.

EmbracePlus ging 2021 in die Massenproduktion. Es wurde bereits von der US-amerikanischen Food and Drug Administration als Schlüsselkomponente der Empatica Health Monitoring Platform zugelassen. Tognetti beschrieb es als eine Plattform, auf der Algorithmen für maschinelles Lernen gleichzeitig Datenströme von verschiedenen Arten von Sensoren analysieren können, um verschiedene Aspekte der Gesundheit zu erkennen und zu überwachen. EmbracePlus-Sensordaten können auf neue Weise kombiniert werden, um verschiedene Bedingungen zu identifizieren. Während der COVID-19-Pandemie entwickelte das Unternehmen beispielsweise einen Algorithmus, um eine Atemwegsinfektion zu erkennen, bevor Symptome auftreten.

„Das Wearable wird bereits in groß angelegten klinischen Studien und in der akademischen Forschung eingesetzt“, sagte Tognetti und wies darauf hin, dass zu den Kunden einige der größten Pharmaunternehmen und große Forschungsprojekte auf der ganzen Welt zählen. Zu letzteren gehören zwei von der Europäischen Union finanzierte Initiativen – das Sleep Revolution-Projekt, das maschinelles Lernen zur Diagnose und Behandlung von Schlafapnoe nutzen will, und das TIMESPAN-Projekt, das sich mit der Schnittstelle zwischen Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung und Erkrankungen wie Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen befasst, mit der Hoffnung, Behandlungen zu optimieren und zu personalisieren.

Für Forschung und klinische Studien sagte er:„Die Möglichkeit, Goldstandard-Messungen von zu Hause oder im Büro der Teilnehmer zu erhalten, ohne sich zu 100 Prozent auf Selbstberichte oder auf wöchentliche Besuche vor Ort zu verlassen, die nur Momentaufnahme-Metriken liefern, bedeutet qualitativ hochwertigere Daten und eine viel geringere Belastung für die Teilnehmer.“

In Zukunft, so Tognetti, wolle das Unternehmen auch die Empatica Health Monitoring Platform, einschließlich EmbracePlus, als „das Tool der Wahl“ für die Überwachung der Patientengesundheit außerhalb von Kliniken nutzen.

Zurück im Johnson Space Center sagte Whitmire, dass das EmbracePlus eines der Geräte sei, das zur Messung von Vitalfunktionen und Schlaf-Wach-Aktivitäten in der Raumfahrt und Bodenforschung in Betracht gezogen werde. Es ist der Beschleunigungsmesser des Geräts, der zur Identifizierung von Schlaf-Wach-Zyklen verwendet werden kann, der ihre Gruppe am meisten interessiert, aber sie merkte an, dass einige der anderen Sensoren für andere Elemente des Humanforschungsprogramms von Interesse sein könnten.

Das am Handgelenk getragene Gerät, das Astronauten zum Sammeln von Daten verwendet haben, wird nicht mehr hergestellt, und sie sagte, dass das EmbracePlus einige der Einschränkungen des vorherigen Geräts beheben könnte, einschließlich Komfort und Konnektivität, insbesondere angesichts der Tatsache, dass das andere Gerät Daten nicht in Echtzeit streamt.

Für die Schlafüberwachung glaubt Whitmire, dass ein Gerät wie das EmbracePlus auch außerhalb des medizinischen Bereichs Anwendung finden könnte. Sie wies darauf hin, dass der LKW-, Schienen- und andere Sektor über Systeme zur Ermüdungsbewältigung verfügt, die weitgehend auf Selbstberichten basieren. „Es gibt fundierte Untersuchungen, die zeigen, dass wir die Auswirkungen von Schlafentzug auf unsere Leistung unterschätzen“, sagte sie. „Ich sehe diese Art von Geräten und ja, sie sind wichtig für die Forschung, aber in einem angewandten Umfeld hat ihre Fähigkeit, objektives Feedback zu geben, das Potenzial, die Sicherheit in vielen Branchen zu verbessern und die Betreuung von Menschen zu fördern, die längere Stunden oder Nachtschichten arbeiten.“

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