NUS vyvinula náplast bez baterie, která může nepřetržitě odhadovat krevní tlak

Výzkumníci z National University of Singapore (NUS) vyvinuli prototyp bezbateriové senzorové sítě, která se připevňuje přímo na kůži a průběžně odhaduje systolický krevní tlak. Místo baterie zabudované v každém senzoru využívá systém dva kožní senzory, chytrý telefon a vodivou tkaninu integrovanou do oblečení.

Důležité je, že zatím nejde o komerční zdravotnický monitor. Prototyp byl podle dostupných informací testován na pěti uživatelích, takže před případným využitím v klinické praxi budou nutné rozsáhlejší validační studie.

Proč může být nepřetržité měření důležité

Krevní tlak se běžně měří vsedě a v klidu. Takové měření je užitečné pro kontrolu klidových hodnot, poskytuje ale jen jednotlivé okamžité údaje. Může proto přehlédnout, jak se tlak mění během spánku, po probuzení, při cestě do práce nebo při fyzické zátěži.

Spánek a probouzení odhalí jiný obraz

Během hlubokého spánku ani bezprostředně po probuzení se tlak obvykle neměří. Mohou tak uniknout noční změny nebo výrazný vzestup po probuzení. Systém NUS je navržen tak, aby tyto výkyvy zachytil přímo v situacích, kdy vznikají, nikoli pouze při občasné kontrole v klidu.

Cvičení ukazuje reakci oběhového systému na zátěž

Fyzická aktivita může vést k rychlým změnám systolického tlaku. Měření během pohybu by proto mohlo pomoci výzkumníkům a lékařům sledovat neobvykle vysoké či nízké reakce, které by běžná klidová kontrola neodhalila. Tým uvedl, že systém testoval při dojíždění, spánku i cvičení včetně náročné fyzické zátěže.

Manžeta a nositelná elektronika mají odlišné nevýhody

Pažní tonometr s nafukovací manžetou zůstává známým referenčním způsobem měření. Manžeta však může rušit spánek a při měření je zpravidla nutné zůstat v klidu. Zařízení na zápěstí se nosí pohodlněji, potřebují ale dobíjet a bezmanžetové odhady krevního tlaku je stále nutné pečlivě ověřovat proti uznávaným referenčním metodám.

Prototyp NUS se snaží řešit oba problémy: senzory mají zůstat na kůži i při běžném pohybu a žádný z nich nepotřebuje vlastní baterii. Pohodlnější nošení však ještě neznamená, že je zařízení připravené pro diagnostiku.

Jak senzory odhadují krevní tlak

Systém tlak neměří tak, že by nafukoval manžetu kolem paže. Kombinuje dva související časové a fyziologické signály:

1. Senzor na hrudníku zaznamenává elektrickou aktivitu srdce. Suché platinové elektrody zachycují elektrickou událost spojenou se stahem srdce a vypuzením krve.
2. Senzor na zápěstí zachycuje příchod pulzní vlny. Optický senzor měří pulzující změny objemu krve v oblasti zápěstí.
3. Systém vypočítá časový rozdíl mezi oběma událostmi. Tento interval se označuje jako doba průchodu pulzu – tedy čas, za který se vlna související s pulzem dostane od srdce směrem k zápěstí.
4. Z časového rozdílu odvozuje odhad systolického tlaku. Delší doba průchodu pulzu obecně souvisí s nižším krevním tlakem. Zařízení tak odhaduje změny tlaku, nikoli tlak přímo neměří způsobem známým z klasické manžety.

Přesnější označení proto zní bezmanžetový odhadovač krevního tlaku. Výsledek závisí na signálech ze senzorů, časování a kalibraci. Jeho přesnost je tedy nutné vyhodnocovat u různých lidí a v různých podmínkách proti zavedeným referenčním měřením.

Chytrý telefon zároveň napájí senzory i přijímá data

Prototyp mění běžné oblečení v součást nositelné senzorové sítě. Vodivá dráha z měděno-niklové tkaniny propojuje místa se senzory a uživatel má na horní části paže umístěný chytrý telefon.

Architektura využívá dva bezdrátové kanály, z nichž každý plní jinou úlohu:

• Přenos energie přes NFC na frekvenci 13,56 MHz: cívka ve smartphonu vytváří magnetické pole a cívka senzoru převádí energii blízkého pole na elektrický proud.
• Komunikace Bluetooth na frekvenci 2,4 GHz: po napájení senzory odesílají naměřené fyziologické údaje do telefonu.

Vodivá textilie je navržena tak, aby oddělovala kanál pro přenos energie v blízkém poli od datové komunikace Bluetooth. Telefon tak funguje jako centrální uzel: bez baterií na kůži napájí rozmístěné senzory a přijímá jejich data.

Koncept navazuje na dřívější výzkum oblečení s technologií blízkého pole, které dokáže propojit bezbateriové senzory umístěné na různých částech těla.

Mezinárodní spolupráce a motivace projektu

Vývoj podle dostupných zpráv začal v roce 2021 ve Wireless Bioelectronics Group na NUS. Na projektu spolupracovali také odborníci z University of Arizona a Tsinghua University. Výsledky byly publikovány v odborném časopise Nature Electronics jako práce o bezbateriové bezdrátové kožní senzorové síti pro průběžné sledování systolického krevního tlaku.

Projekt měl také osobní motivaci. Otec výzkumníka Selmana Kurta trpěl takzvanou hypertenzí bílého pláště, tedy vyššími hodnotami spojenými s návštěvou zdravotnického prostředí. Celodenní měření s manžetou pro něj navíc bylo nepříjemné, protože se manžeta nafukovala i během spánku. Tato zkušenost upozornila na potřebu méně rušivého způsobu sledování tlaku ve dne i v noci.

Co se ještě musí zlepšit

Další kroky se týkají technické stránky i klinického ověření.

Naměřené hodnoty v reálném čase

Zamýšlenou součástí systému je aplikace, která by zobrazovala odhadované hodnoty krevního tlaku přímo ve smartphonu a v reálném čase. Převést signály ze senzorů do srozumitelného a spolehlivého uživatelského prostředí bude zásadní pro posun od laboratorní demonstrace k praktickému používání.

Odolnější vodivá tkanina

Současná tkanina vydrží přibližně deset pracích cyklů, než se začne zhoršovat její schopnost přenášet energii a data. Oblečení určené pro každodenní měření by mělo spolehlivě zvládat mnohem více praní i běžné opotřebení.

Větší a širší klinické studie

Test na pěti lidech může ukázat, že základní architektura funguje, sám o sobě ale nemůže potvrdit přesnost u celé populace ani vhodnost zařízení pro diagnostiku. Další studie budou muset porovnat odhady s uznávanými referenčními metodami u většího počtu uživatelů, při různých aktivitách a u lidí s různým zdravotním stavem. Před komerčním klinickým využitím by bylo nutné také regulační ověření.

Závěr

Hlavní přínos systému NUS spočívá v jeho architektuře: kombinuje kožní senzory, bezbateriový přenos energie prostřednictvím oblečení a sběr dat přes chytrý telefon. Díky tomu by mohl lépe zachytit vývoj krevního tlaku během spánku, po probuzení, při cvičení i při běžných denních činnostech, kdy jednotlivá měření manžetou poskytují jen omezený kontext.

V současnosti je ale vhodné vnímat zařízení jako slibný výzkumný prototyp, nikoli jako náhradu klinicky ověřeného pažního tonometru. Jeho budoucnost bude záviset na prokázání přesnosti ve větším měřítku, zvýšení odolnosti vodivé tkaniny a spolehlivém zobrazování hodnot v praktickém nositelném systému.