Bez baterii i bez mankietu: nowa łatka NUS może monitorować ciśnienie przez całą dobę

Naukowcy z National University of Singapore (NUS) opracowali prototyp bezbateryjnej sieci czujników naskórnych, która ma szacować skurczowe ciśnienie krwi w sposób ciągły — podczas snu, wysiłku, dojazdów i codziennego funkcjonowania. Zamiast umieszczać baterię i elektronikę w zegarku lub opasce, system wykorzystuje dwa czujniki przyklejane do skóry, smartfon oraz przewodzącą tkaninę wbudowaną w ubranie.

To obiecujący dowód działania koncepcji, a nie gotowy wyrób medyczny. W opisanej próbie uczestniczyło pięć osób, dlatego przed ewentualnym zastosowaniem klinicznym potrzebne będą znacznie większe badania walidacyjne.

Dlaczego całodobowy pomiar ciśnienia ma znaczenie

Standardowy pomiar ciśnienia krwi zwykle wykonuje się, gdy pacjent siedzi spokojnie. Taki wynik jest przydatny, ale pokazuje tylko krótki wycinek dobowego profilu ciśnienia.

Sen i moment przebudzenia mogą zmienić obraz sytuacji

Ciśnienie rzadko mierzy się w czasie głębokiego snu albo bezpośrednio po przebudzeniu. W efekcie mogą umknąć nocne wahania oraz wyraźny wzrost ciśnienia po obudzeniu. Projekt NUS ma rejestrować te zmiany w warunkach, w których rzeczywiście występują, zamiast opierać się wyłącznie na pojedynczych pomiarach w spoczynku.

Wysiłek pokazuje reakcję układu krążenia

Podczas ćwiczeń skurczowe ciśnienie może zmieniać się bardzo szybko. Monitorowanie w trakcie aktywności pozwala badać nietypowo wysokie lub niskie reakcje organizmu, których nie widać podczas pomiaru w bezruchu. Zespół testował prototyp między innymi podczas dojazdów, snu i ćwiczeń, także intensywnych.

Mankiet i urządzenia na nadgarstek mają różne ograniczenia

Naramienne ciśnieniomierze z mankietem wciąż pozostają znanym punktem odniesienia, ale pompowanie mankietu może przerywać sen, a użytkownik zazwyczaj musi pozostawać nieruchomo. Urządzenia noszone na nadgarstku są wygodniejsze w ciągłym użytkowaniu, jednak wymagają ładowania, a bezmankietowe szacowanie ciśnienia nadal wymaga starannej weryfikacji względem uznanych metod referencyjnych.

Prototyp NUS próbuje rozwiązać oba problemy: ma pozostawać na skórze podczas zwykłego ruchu i nie wymaga baterii przy każdym czujniku. Wygoda użytkowania nie oznacza jednak, że urządzenie jest już gotowe do zastosowań medycznych.

Jak czujniki na klatce piersiowej i nadgarstku szacują ciśnienie

System nie mierzy ciśnienia przez pompowanie mankietu na ramieniu. Łączy dwa powiązane sygnały czasowe i fizjologiczne:

1. Czujnik na klatce piersiowej rejestruje elektryczną aktywność serca. Suche elektrody platynowe wykrywają sygnał związany ze skurczem serca i wyrzutem krwi.
2. Czujnik na nadgarstku wykrywa docierającą falę tętna. Czujnik optyczny mierzy pulsacyjne zmiany objętości krwi w okolicy nadgarstka.
3. System oblicza opóźnienie między tymi zdarzeniami. Ten odstęp nazywa się czasem przejścia fali tętna — określa on, jak długo sygnał związany z przepływem krwi przemieszcza się z serca w kierunku nadgarstka.
4. Na podstawie tego czasu szacowane jest skurczowe ciśnienie krwi. Zasadniczo dłuższy czas przejścia odpowiada niższemu ciśnieniu, dlatego urządzenie wnioskuje o zmianach ciśnienia, zamiast mierzyć je bezpośrednio tak jak klasyczny ciśnieniomierz.

Z tego powodu prototyp należy określać raczej jako bezmankietowy estymator ciśnienia niż ciśnieniomierz w tradycyjnym znaczeniu. Wynik zależy od sygnałów z czujników, pomiaru czasu i kalibracji. Skuteczność trzeba więc sprawdzać u różnych osób i w różnych warunkach, porównując odczyty z uznanymi pomiarami referencyjnymi.

Jak ubranie dostarcza energię i przesyła dane

Prototyp zamienia zwykłą koszulę z długim rękawem w część sieci urządzeń ubieralnych. Ścieżka z przewodzącej tkaniny miedziano-niklowej łączy miejsca, w których znajdują się czujniki, a smartfon jest noszony na górnej części ramienia.

Architektura wykorzystuje dwa kanały bezprzewodowe, z których każdy odpowiada za inne zadanie:

• Zasilanie NFC przy częstotliwości 13,56 MHz: cewka smartfona wytwarza pole magnetyczne, a cewka czujnika przekształca energię bliskiego pola w prąd elektryczny.
• Transmisja danych Bluetooth przy częstotliwości 2,4 GHz: po otrzymaniu zasilania czujniki przesyłają pomiary fizjologiczne do smartfona.

Tkanina została zaprojektowana tak, aby rozdzielać kanał zasilania bliskiego pola od kanału komunikacji Bluetooth. W praktyce smartfon pełni funkcję centrum systemu: bezprzewodowo zasila rozproszone czujniki i odbiera ich dane, bez konieczności umieszczania baterii na skórze.

Pomysł rozwija wcześniejsze badania nad ubraniami wykorzystującymi bliskie pole do łączenia bezbateryjnych czujników rozmieszczonych w różnych punktach ciała.

Współpraca badawcza i źródło inspiracji

Prace rozpoczęły się w 2021 roku w Wireless Bioelectronics Group na NUS. Według relacji dotyczących projektu wzięli w nich udział także naukowcy z University of Arizona i Tsinghua University. Wyniki opisano w czasopiśmie Nature Electronics jako bezbateryjną, bezprzewodową sieć czujników naskórnych do ciągłego monitorowania skurczowego ciśnienia krwi.

Projekt miał również osobistą motywację. Ojciec badacza Selmana Kurta doświadczał nadciśnienia „białego fartucha”, czyli podwyższonych odczytów związanych z sytuacją kliniczną. Dobowy pomiar mankietem był dla niego niekomfortowy, ponieważ urządzenie pompowało się także podczas snu. To doświadczenie zwróciło uwagę na potrzebę mniej uciążliwego monitorowania ciśnienia przez całą dobę.

Co musi się jeszcze zmienić

Kolejne etapy rozwoju dotyczą zarówno kwestii klinicznych, jak i praktycznych.

Odczyty w czasie rzeczywistym na smartfonie

Docelowy system ma obejmować aplikację wyświetlającą wyniki pomiaru ciśnienia na smartfonie w czasie rzeczywistym. Przekształcenie sygnałów z czujników w czytelne i wiarygodne doświadczenie użytkownika będzie kluczowe, jeśli technologia ma wyjść poza demonstracje laboratoryjne.

Bardziej wytrzymała tkanina przewodząca

Obecny materiał wytrzymuje około 10 cykli prania, zanim jego zdolność do przesyłania energii i danych zaczyna się pogarszać. Ubrania z funkcją monitorowania będą musiały znacznie lepiej znosić regularne pranie i codzienne zużycie, aby nadawały się do rutynowego użytkowania.

Większe i szersze badania walidacyjne

Próba z udziałem pięciu osób może pokazać, że architektura systemu działa, ale nie wystarcza do potwierdzenia skuteczności w całej populacji ani do uznania urządzenia za narzędzie diagnostyczne. Następne badania powinny porównać szacunki z przyjętymi metodami referencyjnymi u większej liczby osób, podczas różnych aktywności i w różnych stanach zdrowia. Przed komercyjnym zastosowaniem klinicznym konieczna byłaby także walidacja regulacyjna.

Wniosek

Najważniejszym osiągnięciem systemu NUS jest jego architektura: łączy czujniki przylegające do skóry, bezbateryjne zasilanie przesyłane przez ubranie oraz smartfon, który zbiera dane. Takie rozwiązanie może ułatwić obserwowanie zmian ciśnienia podczas snu, po przebudzeniu, wysiłku i zwykłej aktywności — czyli w momentach, w których sporadyczne pomiary mankietem dają tylko ograniczony obraz.

Na razie prototyp należy traktować jako obiecującą technologię badawczą, a nie zamiennik zwalidowanego ciśnieniomierza naramiennego. Jego przyszłość zależy od potwierdzenia dokładności w większej skali, zwiększenia trwałości przewodzącej tkaniny i zapewnienia wiarygodnych odczytów w czasie rzeczywistym.