NASA-unterstützte Smartwatch: Medizinische Überwachung für Astronauten und Patienten

Mit Finanzierung aus einem von der NASA unterstützten Konsortium entwickelt, vereint die EmbracePlus medizinische Fähigkeiten und Präzision mit dem Aussehen, Gefühl und Komfort eines Konsumprodukts. (Bild: Empatica Inc.)

Artemis-Missionen: Höhere Anforderungen an Astronautenüberwachung

Das Leben für Astronauten auf der Internationalen Raumstation war größtenteils weniger belastend als in den Space-Shuttle-Zeiten, als Missionen oft viele Ziele und Meilensteine in kurzer Zeit komprimierten. Das wird jedoch nicht der Fall sein für die ersten Astronauten, die im Artemis-Programm zur Mondoberfläche reisen, sagte Alexandra Whitmire, eine NASA-Wissenschaftlerin, deren Aufgabe die Wohlbefinden und Leistung der Astronauten betrifft.

„Artemis-Missionen werden sehr ehrgeizig sein, mit Crews, die viele Aufgaben durchführen müssen, manchmal über erweiterte Arbeitszeiten oder Nachtschichten“, sagte sie. „Ihre Zeitpläne werden wahrscheinlich schlafmusterstörend sein, ähnlich wie wir es in den Shuttle-Tagen erlebten.“

Human Research Program: Fünf Elemente, ein Bedarf an Wearables

Als Science Manager für das Human Factors and Behavioral Performance Element von NASAs Human Research Program sucht Whitmire nach den besten Wegen, um Astronautenschlaf zu überwachen und zu unterstützen, um ihre Sicherheit und Leistung zu gewährleisten. ihres ist nur eines von fünf Elementen im Human Research Program am Johnson Space Center in Houston. Andere befassen sich mit Astronautentraining, medizinischen Bedürfnissen und dem Schutz ihrer Gesundheit vor Weltraumgefahren wie Strahlung.

Die meisten Bemühungen des Programms könnten von einem tragbaren Gerät profitieren, das in der Lage ist, Astronautenphysiologie auf vielfältige Weise zu messen und Feedback zu geben. Deshalb fand sich Whitmire 2020 mit der neuesten Arbeit des medizinischen Wearable-Technologie-Unternehmens Empatica Inc. aus Cambridge, MA, konfrontiert.

Entwicklung der EmbracePlus: Von E4 und Embrace2 zum hybriden Gerät

Mit Hilfe der NASA und mit Blick auf die Bedürfnisse der Agentur hatte das Unternehmen eine Smartwatch entwickelt, die fünf Sensoren in einem kleinen, komfortablen, attraktiven Design vereinte – jetzt kommerziell erhältlich als EmbracePlus.

Die Entwicklung des Geräteprototyps wurde teilweise durch einen Grant des Translational Research Institute for Space Health (TRISH) finanziert, eines Forschungskonsortiums, das nach Wegen sucht, Risiken für Astronauten auf Langzeitmissionen zu reduzieren. TRISH wird von Johnson und dem Baylor College of Medicine finanziert.

Empatica hatte zuvor eine wissenschaftliche Smartwatch namens E4 kommerzialisiert, hauptsächlich für akademische Forschung und klinische Studien, sowie eine Smartwatch zur Erkennung epileptischer Anfälle zur Alarmierung von Betreuern, namens Embrace2, die für attraktives, komfortables tägliches Tragen designed war.

Für die EmbracePlus wollte das Unternehmen das ansprechende Aussehen und Gefühl der Embrace2 mit den Fähigkeiten der E4 kombinieren. Dazu gehörten ein Beschleunigungssensor zur Bewegungsdetektion, ein Temperatursensor, ein Infrarotsensor, der Herz- und Atemaktivität überwacht, und ein weiterer, der elektrische Aktivität in der Haut detektiert, was mit Nervensystemaktivität korreliert. Die EmbracePlus fügt auch einen Gyroskop für verfeinerte Bewegungsdetektion hinzu.

„EmbracePlus kombiniert das schöne Design der Embrace2 mit den Datenerfassungsfähigkeiten der E4, also ist es ein Medizinprodukt mit Konsum-Look-and-Feel, das im Alltag leicht getragen werden kann“, sagte Simone Tognetti, Chief Technology Officer bei Empatica.

TRISH-Finanzierung: Engineering-Features und Komfort

Die mit TRISH-Finanzierung durchgeführte Entwicklung umfasste die Evaluierung verschiedener Sensoren für Herzfrequenz- und Sauerstoffflussdetektion, Durchführung von Tests kritischer Features, Integration aller Komponenten und Designelemente, Bestimmung des komfortabelsten Formfaktors und Auswahl eines Displays, unter anderem.

„Die Finanzierung erlaubte uns, wichtige Engineering-Features umzusetzen, wie das Platzieren der elektrodermalen Aktivitätssensoren an einem komfortablen, abnehmbaren Armband“, sagte Tognetti, in Bezug auf die Sensoren für elektrische Hautaktivität. „Dies war das Ergebnis umfangreicher F&E in Fertigung, elektrischer Verbindung und Signalqualitätsimplikationen verschiedener Konstruktionen.“

NASA-Anforderungen: Klein, leicht, robust, energieeffizient

Das Human Research Programs Bedarf an einem Gerät für Astronauten im Weltraum und in Bodenstudien formte die Uhren ebenfalls. Whitmire merkte an, dass ein kleines, leichtes, komfortables Design für das Weltraumprogramm essenziell ist. „Man braucht wirklich ein Gerät, das nicht aufdringlich ist, das keine Last darstellt, damit es nicht selbst ein Stressor ist“, sagte sie.

Tognetti sagte, die NASA forderte auch, dass die Technologie energieeffizient, einfach zu bedienen und robust genug für die harte Weltraumumgebung sei. „Wir haben anpassbare Hardware-Modi, um Datenerfassung mit Akkulaufzeit zu optimieren, einen eingebauten Speicher, der bis zu 55 Tage Daten speichern kann bei geringer Konnektivität, und ein Low-Power-Display, das auch bei Fehlersuche hilft“, sagte er.

Währenddessen sammelt das Gerät automatisch und kontinuierlich Daten und streamt sie via Bluetooth an die Begleit-App, die sie in die Cloud pusht. „Alles, was der Nutzer tun muss, ist sicherzustellen, dass das Gerät geladen und verbunden ist“, sagte er, und merkte an, dass die App Nutzer auch an diese Schritte erinnert.

FDA-Zulassung und klinische Anwendungen

EmbracePlus ging 2021 in die Massenproduktion. Es wurde bereits von der US Food and Drug Administration als Schlüsselkomponente der Empatica Health Monitoring Platform freigegeben. Tognetti beschrieb es als Plattform, wo Machine-Learning-Algorithmen simultane Datenströme von verschiedenen Sensortypen analysieren können, um verschiedene Gesundheitsaspekte zu detektieren und zu überwachen. EmbracePlus-Sensordaten können auf neue Weisen kombiniert werden, um verschiedene Bedingungen zu identifizieren. Beispielsweise entwickelte das Unternehmen während der COVID-19-Pandemie einen Algorithmus, um eine Atemwegsinfektion vor Symptombeginn zu detektieren.

„Das Wearable wird bereits in großangelegten klinischen Studien und in akademischer Forschung genutzt“, sagte Tognetti, und merkte an, dass Kunden einige der größten Pharmaunternehmen und große Forschungsprojekte weltweit umfassen. Darunter sind zwei EU-finanzierte Initiativen – das Sleep Revolution Projekt, das Machine Learning nutzen will, um Schlafapnoe zu diagnostizieren und zu behandeln, und das TIMESPAN Projekt, das die Schnittstelle von Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung und Bedingungen wie Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen untersucht, mit der Hoffnung, Behandlungen zu optimieren und zu personalisieren.

Für Forschung und klinische Studien, sagte er, „bedeutet die Möglichkeit, Goldstandard-Messungen von Teilnehmern zu Hause oder in ihren Büros zu erhalten, ohne sich zu 100 Prozent auf Selbstberichte oder wöchentliche Studienbesuche zu verlassen, die nur Momentaufnahmen liefern, mehr hochwertige Daten und eine viel geringere Belastung für Teilnehmer.“

In der Zukunft, sagte Tognetti, will das Unternehmen auch die Empatica Health Monitoring Platform, einschließlich der EmbracePlus, zum „Go-to-Tool“ für die Überwachung der Patientengesundheit außerhalb von Kliniken machen.

NASA-Einsatz: Schlafüberwachung und darüber hinaus

Zurück am Johnson Space Center sagte Whitmire, die EmbracePlus sei eines der Geräte, die für die Messung von Vitalzeichen und Schlaf-Wach-Aktivität in Weltraumflug und Bodenforschung in Betracht gezogen werden. Es ist der Beschleunigungssensor des Geräts, der Schlaf-Wach-Zyklen identifizieren kann, der ihre Gruppe am meisten interessiert, aber sie merkte an, dass einige der anderen Sensoren für andere Elemente des Human Research Program von Interesse sein könnten.

Das am Handgelenk getragene Gerät, das Astronauten zur Datensammlung genutzt haben, geht aus der Produktion, und sie sagte, die EmbracePlus könnte einige Limitationen des vorherigen Geräts adressieren, einschließlich Komfort und Konnektivität – besonders da das andere Gerät keine Echtzeit-Daten streamt.

Für Schlafüberwachung sagte Whitmire, sie denke, ein Gerät wie die EmbracePlus könnte auch Anwendungen außerhalb des medizinischen Bereichs finden. Sie merkte an, dass Transport-, Eisenbahn- und andere Industrien Ermüdungsmanagementsysteme haben, die weitgehend auf Selbstberichten beruhen. „Es gibt etablierte Forschung, die zeigt, dass wir die Auswirkungen von Schlafentzug auf unsere Leistung unterschätzen“, sagte sie. „Ich sehe diese Art von Geräten und, ja, sie sind wichtig für Forschung, aber in einem angewandten Setting hat ihre Fähigkeit, objektives Feedback zu geben, das Potenzial, Sicherheit in vielen Branchen zu verbessern und dazu anzuregen, sich um Menschen zu kümmern, die erweiterte Stunden oder Nachtschichten arbeiten.“

Weitere Informationen finden Sie hier.

Transkript

Kein Transkript für dieses Video verfügbar.