Batterifri hudsensor fra NUS kan følge blodtrykket døgnet rundt

Forskere fra National University of Singapore (NUS) har udviklet et netværk af batterifri hudsensorer, der er designet til løbende at estimere det systoliske blodtryk, mens brugeren sover, træner eller passer sin hverdag. I stedet for at bygge batteri og elektronik ind i et smartwatch består prototypen af to hudklæbende sensorer, en smartphone og ledende tekstil integreret i tøjet.

Der er dog tale om et forskningsprojekt – ikke en godkendt medicinsk blodtryksmåler. Den rapporterede afprøvning omfattede fem personer, og der er derfor behov for langt større undersøgelser, før systemet eventuelt kan erstatte klinisk valideret blodtryksudstyr.

Hvorfor kontinuerlig blodtryksmåling er interessant

Traditionelle blodtryksmålinger foretages som regel, mens man sidder stille. Det giver et nyttigt øjebliksbillede af blodtrykket i hvile, men efterlader store dele af døgnets mønster uobserveret.

Søvn og opvågning kan vise andre mønstre

Blodtrykket bliver ikke nødvendigvis målt under dyb søvn eller lige efter, at man vågner. Derfor kan ændringer i løbet af natten eller en markant stigning om morgenen gå ubemærket hen ved lejlighedsvise målinger i dagtimerne. NUS-projektet forsøger at registrere ændringerne i de situationer, hvor de opstår, frem for kun at basere sig på enkeltstående målinger i hvile.

Motion belaster kredsløbet på en anden måde

Fysisk aktivitet kan give hurtige ændringer i det systoliske blodtryk. Målinger under motion kan hjælpe forskere og klinikere med at undersøge usædvanligt høje eller lave reaktioner, som ikke nødvendigvis fremgår af en blodtryksmåling i hvile. Forskerholdet oplyser, at systemet blev testet under transport, søvn og motion – herunder anstrengende motion.

Manchetmålere og wearables har forskellige ulemper

Blodtryksmålere med manchet omkring overarmen er fortsat den velkendte reference, men manchetten skal pustes op, hvilket kan forstyrre søvnen, og brugeren skal som regel sidde stille. Håndledsbaserede wearables er lettere at have på kontinuerligt, men de skal oplades, og blodtryksestimater uden manchet kræver fortsat grundig validering mod anerkendte reference­metoder.

NUS-prototypen forsøger at håndtere begge udfordringer: Den skal kunne blive siddende på huden under almindelige bevægelser, uden at hver sensor behøver sit eget batteri. Det betyder dog ikke, at teknologien allerede er klar til klinisk brug.

Sådan estimerer sensorerne blodtrykket

Systemet måler ikke blodtrykket ved at pumpe en manchet op omkring armen. I stedet kombinerer det to tidsmæssigt forbundne fysiologiske signaler:

1. Brystsensoren registrerer hjertets elektriske aktivitet. Tørre platinelektroder opfanger det elektriske signal, der hænger sammen med, at hjertet trækker sig sammen og sender blodet ud i kroppen.
2. Håndledssensoren registrerer den ankommende puls. En optisk sensor måler de pulserende ændringer i blodmængden nær håndleddet.
3. Systemet beregner tidsforskellen mellem de to hændelser. Intervallet kaldes pulstransittid – altså den tid, det tager for den pulsrelaterede bølge at bevæge sig fra hjertet mod håndleddet.
4. Tidsmålingen bruges til at estimere det systoliske blodtryk. En længere transittid hænger generelt sammen med lavere blodtryk, så systemet kan udlede ændringer i blodtrykket. Det måler altså ikke trykket direkte på samme måde som en manchet.

Derfor er det mere præcist at kalde løsningen en blodtryksestimator uden manchet. Resultatet afhænger af sensorsignaler, tidsmålinger og kalibrering. Ydeevnen skal derfor undersøges på tværs af forskellige mennesker og situationer og sammenholdes med etablerede reference­målinger.

Tøjet leverer strøm og transporterer data

Prototypen gør en almindelig langærmet trøje til en del af det bærbare sensornetværk. En ledende tekstilbane af kobber og nikkel forbinder sensorernes placeringer, mens brugeren bærer en smartphone på overarmen.

Systemet bruger to trådløse kanaler med hver sin funktion:

• NFC-overførsel af strøm ved 13,56 MHz: En spole i smartphonen skaber et magnetfelt, og en sensorspole omdanner energien fra nærfeltet til elektrisk strøm.
• Bluetooth-kommunikation ved 2,4 GHz: Når sensorerne er blevet forsynet med strøm, sender de de fysiologiske målinger tilbage til smartphonen.

Tekstilet er konstrueret til at adskille nærfeltskanalen til strøm fra Bluetooth-kanalen til data. Smartphonen fungerer dermed som systemets centrale hub: Den forsyner de distribuerede sensorer med strøm og modtager deres data, uden at sensorerne på huden behøver batterier.

Idéen bygger videre på tidligere forskning i tøj med nærfeltsforbindelser, der kan koble batterifri sensorer placeret forskellige steder på kroppen sammen.

Forskere fra tre universiteter og en personlig drivkraft

Udviklingen begyndte i NUS’ Wireless Bioelectronics Group i 2021 med samarbejdspartnere fra University of Arizona og Tsinghua University, ifølge omtalen af projektet. Resultaterne blev rapporteret i Nature Electronics som et batterifrit, trådløst epidermalt sensornetværk til kontinuerlig overvågning af det systoliske blodtryk.

Projektet havde også en personlig motivation. Forskeren Selman Kurts far oplevede såkaldt »white-coat-hypertension« – forhøjede blodtryksmålinger, der forbindes med den kliniske situation – og fandt døgnmåling med manchet ubehagelig, fordi manchetten pustede sig op under søvnen. Erfaringen var med til at tydeliggøre behovet for en mindre forstyrrende måde at følge blodtrykket gennem et helt døgn.

Hvad skal forbedres, før teknologien kan bruges bredt?

Prototypens næste skridt handler både om praktisk anvendelighed og medicinsk dokumentation.

En smartphone-app med målinger i realtid

Den planlagte løsning skal blandt andet omfatte en app, der viser blodtryksaflæsninger på smartphonen i realtid. Det bliver afgørende at omsætte sensorsignalerne til en tydelig og pålidelig brugeroplevelse, hvis teknologien skal videre end laboratorieforsøg.

Mere holdbart ledende tekstil

Tekstilet kan i øjeblikket tåle omkring 10 vaske, før evnen til at transportere strøm og data begynder at blive forringet. Tøjbaseret sensorteknologi skal kunne klare gentagen vask og almindeligt slid langt bedre, før den bliver realistisk til daglig brug.

Større og bredere undersøgelser

Et forsøg med fem personer kan vise, at arkitekturen fungerer, men det kan ikke fastslå, hvor præcist systemet virker i den brede befolkning, eller dokumentere, at det kan bruges til diagnosticering. Fremtidige studier skal sammenligne estimaterne med accepterede reference­metoder på flere brugere, under flere aktiviteter og ved forskellige helbredstilstande. Før kommerciel klinisk brug vil der desuden være behov for regulatorisk validering.

Konklusionen

NUS-systemets vigtigste nyskabelse ligger i selve opbygningen: Hudklæbende sensorer kombineres med batterifri strømforsyning gennem tøjet og dataindsamling via en smartphone. Det kan gøre det lettere at følge blodtrykkets mønster under søvn, ved opvågning, under motion og i almindelige daglige aktiviteter – tidspunkter, hvor sporadiske målinger med manchet kun giver et begrænset billede.

Indtil videre bør teknologien ses som en lovende forskningsprototype og ikke som en erstatning for en valideret blodtryksmåler med overarmsmanchet. Før den kan få en plads i hverdagen eller sundhedsvæsenet, skal forskerne dokumentere nøjagtigheden i større skala, gøre tekstilet mere slidstærkt og levere pålidelige realtidsmålinger i et praktisk bærbart system.