In einer Rezension veröffentlicht in Kommunikationsmaterialiendiskutierten Forscher die jüngsten Fortschritte und Hindernisse bei der Entwicklung eines digital vernetzten Körpers über ein Netzwerk tragbarer Sensoren und Bioschnittstellen.
Sie betonten außerdem die Notwendigkeit ganzheitlicher Geräteökosysteme für die umfassende und langfristige Überwachung der Gesundheit.
Studie: Auf dem Weg zu einem digital vernetzten Körper für ganzheitliche und kontinuierliche Gesundheitseinblicke. Bildquelle: SOMKID THONGDEE/Shutterstock.com
Hintergrund
Fortschritte bei nichtinvasiven Hautsensoren, wie z. B. der epidermalen Elektronik, bieten Einblicke durch die Erfassung von Flüssigkeiten und die Bereitstellung einzigartiger physikalischer Eigenschaften, was eine anspruchsvollere Sensorik ermöglicht, die über herkömmliche Methoden hinausgeht.
Diese Sensoren verfügen über biochemische und biophysikalische Fähigkeiten und ermöglichen die Messung von Markern wie Cortisol sowie Einblicke in physiologische Belastungen. Die Übertragung dieser Innovationen aus dem Labor auf den klinischen oder häuslichen Gebrauch steht vor Herausforderungen, die sich in (1) Material und Schnittstelle, (2) Integration und (3) Herausforderungen im Zusammenhang mit der Einführung kategorisieren lassen.
Die flächendeckende Akzeptanz dieser Innovationen hängt von Materialien ab, die mit intelligenten Schnittstellen, Hauterneuerung und nahtloser Integration in Gesundheitssysteme kompatibel sind. Solche Systeme können möglicherweise erhebliche Auswirkungen auf die Überwachung und Behandlung von Krankheiten haben und so die Gesundheit der Bevölkerung verbessern.
Herausforderungen bei Materialien und Schnittstellen
Tragbare Bioschnittstellen stehen vor grundlegenden Herausforderungen, insbesondere wenn sie klebend auf der Haut angebracht werden, wie z. B. einer begrenzten Betriebsdauer aufgrund der epidermalen Umwälzung und möglicher Unannehmlichkeiten für den Benutzer.
Üblicherweise werden verschiedene Geräteklassen verwendet: (a) herkömmlicher Ziegelstein und Riemen, (b) epidermale Elektronik mit klebender Hautbefestigung und (c) ein Hybrid, der klebend verbundene epidermale Geräte mit wiederverwendbarer, magnetisch befestigter Elektronik kombiniert.
Während Brick- und Strap-Geräte Zuverlässigkeit und kommerzielle Rentabilität bieten, sorgt epidermale Elektronik für konformen Kontakt und reduziert Bewegungsartefakte, ist jedoch mit Herausforderungen bei der Klebebefestigung und größeren Stellflächen konfrontiert. Der Hybridansatz kombiniert Wegwerfbarkeit mit wiederverwendbaren Komponenten, bringt jedoch Komplexität mit sich.
Sensoren sind durch biochemischen Abbau und Biogefährdungsbedenken bei der Schweißkanalisierung eingeschränkt. Epidermale Plattformen minimieren Bewegungsartefakte, erfordern jedoch die Beachtung der Mechanik auf Systemebene für chronische Stabilität.
Nichtinvasive Stimulatoren werden in haptische, elektrische und thermische Stimulatoren eingeteilt und sind für den chronischen Gebrauch von entscheidender Bedeutung. Sie benötigen jedoch eine hohe Energieversorgung, was ihre Umsetzung zu einer Herausforderung macht.
Verkapselungsmethoden für dauerhaft tragbare Geräte erfordern die Bewältigung mechanischer und strömungstechnischer Herausforderungen, insbesondere bei flexiblen epidermalen Geräten mit hoher Wiedergabetreue. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen können innovative Strategien wie Serpentinenverbindungen und dielektrische Kapselungen eingesetzt werden.
Herausforderungen bei der Integration
Die Integration tragbarer Geräte wirkt sich auf Komfort, Stabilität und Sensorleistung aus. Als große Herausforderung wird die Notwendigkeit einer Hochleistungsstromversorgung identifiziert, die den Dauerbetrieb der Geräte einschränkt.
Herkömmliche Batterien bieten eine begrenzte Laufzeit (1–2 Tage) für multimodale High-Fidelity-Geräte, was ein häufiges Aufladen erforderlich macht und die Benutzerbindung beeinträchtigt.
Derzeit werden verschiedene Methoden zur drahtlosen Energieübertragung eingesetzt. Biosymbiotische Geräte werden über Fernfeld-Powercasting aufgeladen und sorgen so für einen reibungslosen Betrieb rund um die Uhr. Photonisch betriebene Geräte nutzen Perowskit-Solarzellen und eine drahtlose Stromverteilung über Textilien.
Die Nutzung von Umgebungsenergiequellen und von Benutzern mitgeführten Netzteilen, wie etwa elektromagnetischer Strahlung von Smartphones, bietet Lösungen für die verteilte Erfassung und verringert die Ermüdung der Benutzer.
Überlegungen zu Materialplattformen für tragbare Geräte beinhalten Skalierbarkeitsprobleme und beeinträchtigte Konformität. Erfolgreiche translationale Aktivitäten nutzen Materialien wie thermoplastisches Urethan (TPU) und Polyimid.
Kommunikationsmethoden sind wichtige Überlegungen für tragbare Geräte. Üblicherweise werden Ansätze verwendet, die auf Bluetooth Low Energy (BLE) und Near Field Communication (NFC) basieren.
Berechnungen sind für große Datensätze von entscheidender Bedeutung und können von maschinellem Lernen und auf künstlicher Intelligenz basierenden Methoden profitieren. Basierend auf einer Leistungsanalyse der klinischen Anforderungen kann die Datenanalyse auf dem Gerät oder über die Cloud durchgeführt werden.
Herausforderungen bei der Adoption
Die Benutzerakzeptanz ist ein entscheidender Aspekt der Auswirkungen tragbarer Geräte. Faktoren wie Datenschutz, Tragbarkeit, Benutzerfreundlichkeit, Datengenauigkeit und wahrgenommener Wert beeinflussen die Aufbewahrungsraten.
Bei gängigen Geräten zur Erfassung des Gesundheitszustands beträgt die durchschnittliche Aufbewahrungsrate über einen Zeitraum von sechs Monaten nur 50 %. Der kommerzielle Erfolg ist nicht garantiert, da Herausforderungen wie Interoperabilität, Akzeptanz in der medizinischen Gemeinschaft und Versicherungsschutz hohe Eintrittsbarrieren schaffen.
Behördliche Zertifizierungen wie die FDA-Zulassung und die CE-Kennzeichnung, die für die Aufrechterhaltung des Vertrauens von entscheidender Bedeutung sind, tragen zu einem langsamen Innovationsprozess bei und machen die Entwicklung neuer Technologien zu einem risikoreichen Unterfangen. Trotz spannender Technologie kann eine langsame Einführung den Erfolg eines Geräts erheblich beeinträchtigen.
Beispiele für multimodale chronische Wearables
Die Biosymbiotika bilden eine interessante Klasse tragbarer Geräte. Sie erfassen kontinuierlich und ohne Unterbrechung hochpräzise Biosignale.
Diese Geräte werden epidermal über weiche Netzstrukturen befestigt, passen sich ohne Klebstoffe dem Körper an und ermöglichen eine längere Verwendung über Wochen. Fernfeld-Powercasting lädt das Gerät auf, sorgt für einen 24-Stunden-Autonomiebetrieb und ermöglicht das Aufladen in der Nähe eines Powercasters.
Die Geräte bleiben bei verschiedenen Aktivitäten, einschließlich Duschen, funktionsfähig und erfassen Datenströme mit hohen Abtastraten, wie z. B. Bizepskontraktionen und hochauflösende Hauttemperaturmessungen, die mit herkömmlichen Wearables nicht möglich sind.
Abschluss
Tragbare High-Fidelity-Hautschnittstellen bieten erweiterte Einblicke, ihr erfolgreicher Einsatz erfordert jedoch wesentliche Fortschritte bei Materialien für den chronischen Gebrauch.
Strategien mit Materialien wie Hydrogelen und ultradünnen Substraten mit Schnittstellen mit niedriger Impedanz ermöglichen eine nahtlose Anbringung an der Haut und unterstützen kontinuierliche High-Fidelity-Schnittstellen über Wochen hinweg.
Die weit verbreitete Akzeptanz von Geräten hängt von der Schaffung nahtloser Ansätze auf Systemebene ab, die verschiedene Schnittstellentypen, Anwendungszeitrahmen und Aspekte von Kommunikations-, Berechnungs- und Stromversorgungsstrategien verbinden.
Technologien wie Wireless Power Casting, Low-Power-Mesh-Netzwerke und neuronale Berechnungen können eine schnellere Verbreitung dieser Geräteklasse ermöglichen.
Insgesamt bergen diese Fortschritte ein großes Potenzial für die Verbesserung der Lebenserwartung und der Gesundheit der Bevölkerung, insbesondere durch die Verbesserung der Erkennung und Behandlung von Herzerkrankungen.
