Ohio State lanceert eerste draagbare sensor voor real-time spieratrofie monitoring

Onderzoekers van The Ohio State University in Columbus, OH, hebben de eerste draagbare sensor geproduceerd die ontworpen is om spieratrofie te detecteren en te monitoren.

Spieratrofie en huidige diagnostiek

Spieratrofie, een toestand met verlies van skeletspiermassa en -kracht, kan om diverse redenen gebeuren, maar is meestal een bijwerking van degeneratieve ziekte, veroudering of spierontgebruik. Artsen vertrouwen momenteel op MRI om te beoordelen of de spiergrootte en -volume van een patiënt zijn achteruitgegaan, maar frequente testen kunnen tijdrovend en kostbaar zijn.

Elektromagnetische sensor met e-threads

Deze nieuwe studie, gepubliceerd in IEEE Transactions on Biomedical Engineering, suggereert dat een elektromagnetische sensor gemaakt van geleidende "e-threads" gebruikt kan worden als alternatief voor frequente monitoring met MRI.

Validatie met 3D-geprinte ledematen

Om hun werk te valideren, produceerden onderzoekers 3D-geprinte ledemaatmallen en vulden ze met gehakt rundvlees om het kalfspierweefsel van een gemiddeld menselijk proefpersoon te simuleren. Hun resultaten toonden aan dat ze in staat waren te demonstreren dat de sensor kleine-schaal volumeveranderingen in algehele ledemaatgrootte kon meten en spierverlies van tot 51 procent kon monitoren.

"Ideaal zou ons voorgestelde sensor gebruikt kunnen worden door gezondheidszorgproviders om behandelplannen voor patiënten meer persoonlijk te implementeren en minder lastig voor de patiënt zelf te maken," aldus Allyanna Rice, eerste auteur van de studie en graduate fellow in electrical and computer engineering aan The Ohio State University.

Inspiratie uit ruimtevaart

De eerste bekende aanpak om spieratrofie te monitoren met een draagbaar apparaat, bouwt de studie voort op Rice's eerdere werk in het creëren van gezondheidssensoren voor NASA. De ruimtevaartorganisatie is geïnteresseerd in de gezondheid van astronauten op diverse manieren te monitoren, omdat het doorbrengen van grote hoeveelheden tijd in de ruimte vaak nadelige effecten op het menselijk lichaam kan hebben.

Onderzoekers hebben decennialangen besteed aan het begrijpen en bestrijden van deze effecten, en deze studie was geïnspireerd door het doel om oplossingen te vinden voor gezondheidsproblemen die astronauten tegenkomen. Bijvoorbeeld, hoewel wetenschappers weten dat zelfs bemanningsleden op korte ruimtevluchten tot 20 procent verlies in spiermassa en botdensiteit kunnen ervaren, is er niet veel data over wat het effect van veel langere missies in de ruimte op hun lichamen kan hebben, aldus Rice.

"Onze sensor is iets wat een astronaut op een lange missie of een patiënt thuis kan gebruiken om hun gezondheid bij te houden zonder hulp van een medisch professional," zei ze.

Technisch ontwerp

Maar een draagbaar apparaat creëren dat nauwkeurig minieme spierveranderingen in het menselijk lichaam kan meten, is makkelijker gezegd dan gedaan. Rice en haar mede-auteur Asimina Kiourti, professor in electrical and computer engineering aan Ohio State, ontwierpen het apparaat om te werken door twee spoelen te gebruiken, een die zendt en een die ontvangt, alsook een geleider gemaakt van e-threads die langs de stof in een specifiek zigzagpatroon lopen.

Hoewel het eindproduct op een bloeddrukmanschet lijkt, zei Rice dat het oorspronkelijk een uitdaging was om een patroon te vinden dat een breed bereik van veranderingen in de grootte van de sensorlus toeliet, zodat het een groot deel van de patiëntenpopulatie kon passen.

"Toen we de sensor voor het eerst voorstelden, realiseerden we niet dat we een rekbaar materiaal nodig zouden hebben tot we realiseerden dat de ledematen van de persoon zouden veranderen," zei ze. "We hebben een sensor nodig die kan veranderen en buigen, maar die ook conformationeel moet zijn."

Na wat trial and error vonden ze dat, terwijl naaien in een rechte lijn de elasticiteit van de mouw beperkte, een zigzagpatroon ideaal was om het te versterken. Ditzelfde nieuwe patroon is de reden waarom de sensor schaalbaar kan zijn over meerdere verschillende lichaamsdelen of zelfs verschillende locaties op hetzelfde ledemaat.

Toekomstige stappen

Hoewel de wearable nog jaren verwijderd is van implementatie, stelt de studie dat de volgende grote sprong waarschijnlijk zal zijn om het apparaat te koppelen aan een mobiele app, die gebruikt kan worden om gezondheidsinformatie direct aan gezondheidszorgproviders vast te leggen en door te geven.

En om het leven voor toekomstige patiënten zowel op aarde als in de ruimte te verbeteren, kijkt Rice uit naar het combineren van de sensor met andere soorten apparaten voor het detecteren en monitoren van gezondheidsproblemen, zoals een tool voor het detecteren van botverlies.

"In de toekomst willen we meer sensoren en nog meer mogelijkheden integreren met onze wearable," aldus Rice. Dit werk werd ondersteund door NASA.

Voor meer informatie, neem contact op met Tatyana Woodall via twoodall@osu.edu.