NUS:n paristoton iholaastari voisi seurata verenpainetta vuorokauden ympäri

Liikunta näyttää verenkiertoelimistön reaktion rasitukseen

Liikunta voi muuttaa systolista verenpainetta nopeasti. Rasituksen aikainen seuranta voisi auttaa tutkimaan poikkeavan voimakkaita tai heikkoja reaktioita, joita levossa tehty mansettimittaus ei paljasta. Tutkijat kertoivat testanneensa järjestelmää muun muassa työmatkoilla, nukkuessa ja liikunnan aikana – myös raskaassa rasituksessa.

Mansetti ja älykello tarjoavat erilaisia kompromisseja

Olkavarren mansettimittari on edelleen tuttu vertailukohta, mutta mansetin täyttyminen voi häiritä unta, ja mittauksen aikana käyttäjän on yleensä pysyttävä paikallaan. Ranteessa pidettävät älylaitteet ovat helpompia käyttää jatkuvasti, mutta ne tarvitsevat lataamista. Lisäksi mansetittomien verenpainearvioiden tarkkuus on varmistettava huolellisesti hyväksyttyjä vertailumenetelmiä vasten.

NUS:n prototyyppi pyrkii ratkaisemaan molemmat käytännön ongelmat: sen on tarkoitus pysyä iholla normaalin liikkumisen aikana, eikä jokaiseen anturiin tarvita omaa akkua. Helppokäyttöisyys ei kuitenkaan tarkoita, että laite olisi jo valmis kliiniseen käyttöön.

Näin rinnan ja ranteen anturit arvioivat verenpainetta

Järjestelmä ei mittaa painetta täyttämällä käsivarren ympärille asetettavaa mansettia. Sen sijaan se yhdistää kaksi toisiinsa liittyvää ajoitus- ja fysiologista signaalia:

1. Rinnan anturi rekisteröi sydämen sähköisen toiminnan. Kuivat platinaelektrodit havaitsevat sähköisen tapahtuman, joka liittyy sydämen supistumiseen ja veren pumppaamiseen liikkeelle.
2. Ranteen anturi havaitsee pulssin saapumisen. Optinen anturi mittaa veren määrän sykkiviä muutoksia ranteen lähellä.
3. Järjestelmä laskee tapahtumien välisen viiveen. Tätä kutsutaan pulssin kulkuajaksi: se kertoo, kuinka kauan pulssiaaltoon liittyvä signaali kestää kulkea sydämestä kohti rannetta.
4. Ajoituksen avulla arvioidaan systolista verenpainetta. Pidempi kulkuaika liittyy yleensä matalampaan verenpaineeseen, joten laite päättelee verenpaineen muutoksia sen sijaan, että mittaisi painetta suoraan mansetin tavoin.

Siksi laitetta on täsmällisempää kutsua mansettomaksi verenpaineen arvioijaksi kuin varsinaiseksi verenpainemittariksi. Tulos riippuu anturien signaaleista, ajoituksesta ja kalibroinnista. Suorituskyky on siis testattava eri ihmisillä ja erilaisissa olosuhteissa verrattuna vakiintuneisiin vertailumittauksiin.

Älypuhelin antaa antureille virtaa ja vastaanottaa tiedot

Prototyypissä tavallisesta pitkähihaisesta paidasta tehdään osa puettavaa anturiverkostoa. Kuparin ja nikkelin yhdistelmästä valmistettu johtava kangasrata yhdistää anturien sijainnit, ja käyttäjä pitää älypuhelinta olkavarressaan.

Järjestelmä käyttää kahta langatonta yhteyttä eri tarkoituksiin:

• NFC-virransiirto 13,56 megahertsin taajuudella: älypuhelimen kela synnyttää magneettikentän, jonka lähikenttäenergia muunnetaan anturin kelassa sähkövirraksi.
• Bluetooth-tiedonsiirto 2,4 gigahertsin taajuudella: virran saatuaan anturit lähettävät fysiologiset mittaustiedot älypuhelimeen.

Tekstiili erottaa lähikenttään perustuvan virransiirtokanavan Bluetoothin datakanavasta. Käytännössä älypuhelin toimii koko järjestelmän keskuksena: se syöttää virtaa hajautetuille antureille ja vastaanottaa niiden tiedot ilman, että iholla oleviin antureihin tarvitaan akkuja.

Ajatus pohjautuu aiempaan tutkimukseen, jossa lähikenttää hyödyntäviä vaatteita käytettiin yhdistämään eri puolilla kehoa sijaitsevia paristottomia antureita.

Kansainvälinen tutkimusyhteistyö ja hankkeen tausta

Hankkeen kehitys alkoi NUS:n Wireless Bioelectronics Group -ryhmässä vuonna 2021. Mukana oli yhteistyökumppaneita Arizonan yliopistosta ja Tsinghuan yliopistosta. Työ julkaistiin Nature Electronics -tiedelehdessä tutkimuksena, joka käsittelee paristotonta langatonta ihoantureiden verkostoa jatkuvaan systolisen verenpaineen seurantaan.

Hankkeella oli myös henkilökohtainen lähtökohta. Tutkija Selman Kurtin isällä oli niin sanottu valkotakkihypertensio: verenpaine nousi terveydenhuollon ympäristössä tavallista korkeammaksi. Vuorokauden mittainen mansettiseuranta puolestaan tuntui epämukavalta, koska mansetti täyttyi myös unen aikana. Kokemus korosti tarvetta menetelmälle, joka häiritsisi arkea ja yöunta vähemmän.

Mitä on vielä kehitettävä?

Prototyypin seuraavat askeleet liittyvät sekä käytännön toimivuuteen että lääketieteelliseen näyttöön.

Verenpainelukemat reaaliajassa puhelimeen

Tavoitteena on sovellus, joka näyttäisi verenpainearviot älypuhelimessa reaaliajassa. Anturisignaalien muuttaminen selkeäksi ja luotettavaksi käyttökokemukseksi on välttämätöntä, jos teknologia halutaan viedä laboratorio-olosuhteiden ulkopuolelle.

Johtavan kankaan on kestettävä pesua

Nykyinen kangas kestää noin kymmenen pesukertaa, minkä jälkeen sen kyky siirtää virtaa ja tietoa alkaa heikentyä. Vaatteisiin perustuvan mittausteknologian on kestettävä toistuva pesu ja jokapäiväinen käyttö selvästi paremmin, jotta sitä voitaisiin hyödyntää säännöllisesti.

Laajempi ja monipuolisempi validointi

Viiden henkilön koe voi osoittaa, että järjestelmän rakenne toimii, mutta se ei riitä todistamaan tarkkuutta koko väestössä tai laitteen soveltuvuutta diagnoosien tekemiseen. Jatkossa arvioita on verrattava hyväksyttyihin verenpaineen vertailumenetelmiin suuremmalla joukolla, erilaisissa aktiviteeteissa ja erilaisten terveydentilojen yhteydessä. Ennen kaupallista kliinistä käyttöä tarvitaan lisäksi viranomaisvaatimusten mukainen validointi.

Lopputulos

NUS:n työn keskeinen oivallus liittyy järjestelmän rakenteeseen: iholle kiinnitettävät anturit, vaatteisiin kudottu paristoton virransyöttö ja älypuhelimen kautta tapahtuva tiedonkeruu toimivat yhtenä kokonaisuutena. Ratkaisu voisi helpottaa verenpaineen seuraamista unen, heräämisen, liikunnan ja tavallisen liikkumisen aikana – tilanteissa, joista yksittäiset mansettimittaukset antavat vain rajallisen kuvan.

Tässä vaiheessa laitetta kannattaa kuitenkin pitää lupaavana tutkimusprototyyppinä, ei validoidun olkavarsimansetin korvaajana. Sen tulevaisuus riippuu siitä, pystytäänkö tarkkuus osoittamaan suuressa mittakaavassa, kankaan kestävyys parantamaan ja reaaliaikaiset lukemat tekemään luotettaviksi käytännön puettavassa järjestelmässä.