Northwestern University onthult draagbaar apparaat om huidademhaling te meten

Elektronica en sensoren INSIDER

Het apparaat is slechts twee centimeter lang en anderhalve centimeter breed en bestaat uit een kamer, een verzameling sensoren, een programmeerbare klep, een elektronisch circuit en een kleine oplaadbare batterij. In plaats van de huid rechtstreeks aan te raken, zweeft de kamer er een paar millimeter boven. (Afbeelding:met dank aan John Rogers)

Onderzoekers van de Northwestern University hebben het eerste draagbare apparaat ontwikkeld voor het meten van gassen die door de huid worden uitgestoten en geabsorbeerd. Door deze gassen te analyseren, biedt het apparaat een nieuwe manier om de gezondheid van de huid te beoordelen, waaronder het monitoren van wonden, het detecteren van huidinfecties, het volgen van het hydratatieniveau, het kwantificeren van de blootstelling aan schadelijke chemicaliën uit de omgeving, en meer.

De nieuwe technologie bestaat uit een verzameling sensoren die veranderingen in temperatuur, waterdamp, kooldioxide (CO2) en vluchtige organische stoffen (VOC's) nauwkeurig meten, die elk waardevol inzicht geven in verschillende huidaandoeningen en de algehele gezondheid. Deze gassen stromen naar een kleine kamer in het apparaat die boven de huid zweeft zonder deze daadwerkelijk aan te raken. Dit contactloze ontwerp is vooral handig voor het verzamelen van informatie over een kwetsbare huid zonder gevoelige weefsels te verstoren.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature , demonstreert de werkzaamheid van het apparaat bij kleine dieren en mensen.

“Dit apparaat is een natuurlijke evolutie van de draagbare elektronische apparaten in ons laboratorium die zweet verzamelen en analyseren”, zegt John A. Rogers van Northwestern, die het onderzoek mede leidde. "In dat geval analyseerden we zweet om meer te weten te komen over de algehele gezondheid van de drager. Hoewel nuttig, vereist die methode farmacologische stimulatie van zweetklieren of blootstelling aan een hete, vochtige omgeving. We begonnen na te denken over wat we van de huid konden opvangen wat altijd van nature voorkomt. Het blijkt dat er allerlei dingen van het huidoppervlak komen - waterdamp, kooldioxide en vluchtige organische stoffen - die kunnen worden gecorreleerd met de onderliggende fysiologische gezondheid. "

“Deze technologie heeft het potentieel om de klinische zorg te transformeren, vooral voor kwetsbare bevolkingsgroepen, waaronder pasgeboren baby’s, ouderen, patiënten met diabetes en anderen met een aangetaste huid”, zegt Guillermo A. Ameer van Northwestern, die mede leiding gaf aan het onderzoek. "Het mooie van ons apparaat is dat we een geheel nieuwe manier hebben gevonden om de status van een gevoelige huid te beoordelen zonder in contact te hoeven komen met wonden, zweren of schaafwonden. Dit apparaat is de eerste grote stap in de richting van het meten van veranderingen in gassen en het correleren van die veranderingen met de huidstatus."

Rogers, een pionier op het gebied van de bio-elektronica, is de Louis Simpson en Kimberly Querrey hoogleraar Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering en Neurological Surgery aan Northwestern – met benoemingen aan de McCormick School of Engineering in Northwestern en de Feinberg School of Medicine – en de directeur van het Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Ameer is de Daniel Hale Williams hoogleraar biomedische technologie bij McCormick, hoogleraar chirurgie bij Feinberg en directeur van het Center for Advanced Regenerative Engineering. Rogers en Ameer leidden het onderzoek samen met Yonggang Huang, de Jan en Marcia Achenbach hoogleraar werktuigbouwkunde en hoogleraar civiele techniek en milieutechniek.

De buitenste huidlaag, de huidbarrière genoemd, is de eerste verdedigingslinie van het lichaam tegen de externe omgeving. Het handhaaft de hydratatie door overmatig waterverlies te voorkomen en fungeert als een barrière tegen irriterende stoffen, bacteriën en ultraviolette straling. Wanneer de huidbarrière wordt aangetast, kan dit leiden tot meer waterverlies (bekend als transepidermaal waterverlies of TEWL), gevoeligheid van de huid en een risico op infectie, en ontstekingsaandoeningen zoals eczeem en psoriasis.

“De huid is van cruciaal belang om ons tegen de omgeving te beschermen”, zegt co-auteur van het onderzoek Dr. Amy Paller, Walter J. Hamlin hoogleraar dermatologie en voorzitter van de afdeling Dermatologie in Feinberg. “Een belangrijk element van deze beschermende functie is de huidbarrière, die grotendeels wordt gekenmerkt door een formidabele verzameling strak geweven eiwitten en vetten die water binnenhouden en irriterende stoffen, gifstoffen, microben en allergenen buiten.”

Door veranderingen in de uitstoot van waterdamp en gassen uit de huid te volgen, kunnen zorgverleners een glimp opvangen van de integriteit van de huidbarrières van hun patiënten. Hoewel er technologieën bestaan ​​om het waterdampverlies te meten, zijn het grote, omslachtige machines die zich grotendeels in ziekenhuizen bevinden. Het compacte draagbare apparaat is daarentegen ontworpen om artsen te helpen hun patiënten op afstand te monitoren en om individuen in staat te stellen thuis de controle over hun eigen huidgezondheid te nemen.

"De gouden standaard voor het meten van de integriteit van de huidbarrière is een groot instrument met een sonde die met tussenpozen de huid wordt aangeraakt om informatie te verzamelen over transepidermaal waterverlies - of de waterstroom door de huid", aldus Paller. “Het hebben van een apparaat dat transepidermaal waterverlies op afstand, continu of zoals geprogrammeerd door de onderzoeker kan meten – en zonder de patiënt tijdens de slaap te storen – is een grote vooruitgang.”

Het apparaat is slechts twee centimeter lang en anderhalve centimeter breed en bestaat uit een kamer, een verzameling sensoren, een programmeerbare klep, een elektronisch circuit en een kleine oplaadbare batterij. In plaats van de huid rechtstreeks aan te raken, zweeft de kamer er een paar millimeter boven.

“Traditionele draagbare sensoren zijn afhankelijk van fysiek contact met de huid, waardoor het gebruik ervan in gevoelige situaties, zoals wondverzorging of voor personen met een kwetsbare huid, wordt beperkt”, aldus Rogers. “Ons apparaat overwint deze beperking door een kleine, afgesloten kamer boven het huidoppervlak te creëren.”

Een automatische klep opent en sluit de ingang van deze kamer – een functie die op dynamische wijze de toegang regelt tussen de omsloten kamer en de omringende omgevingslucht. Wanneer de klep open is, stromen er gassen in of uit de kamer, waardoor het apparaat een nulmeting kan uitvoeren. Wanneer de klep vervolgens snel sluit, worden er gassen in de kamer opgevangen. Van daaruit meet de reeks sensoren veranderingen in de gasconcentraties in de loop van de tijd.

"Als ons apparaat geen programmeerbare klep en een tijddynamische meetbenadering zou bevatten om de stroom van soorten uit en in de huid op een realtime manier te kwantificeren, zou het systeem in de war kunnen raken door veranderingen in de concentraties van deze soorten die van nature kunnen variëren in de omgeving, " zei Rogers. "Als de klep de hele tijd open zou zijn, zou de sensor dit soort veranderingen detecteren - niet vanwege iets dat verband houdt met de huid. Aan de andere kant, als de klep altijd gesloten zou zijn, zou hij de natuurlijke fluxpatronen verstoren op een manier die ook geen rekening zou kunnen houden met omgevingsfactoren. Voor werknemers in potentieel gevaarlijke omgevingen is het nuttig om te weten hoeveel van deze gevaarlijke soorten via de huid het lichaam binnendringen."

Via Bluetooth stuurt het apparaat deze gegevens rechtstreeks naar een smartphone of tablet voor realtime monitoring. Deze snelle resultaten kunnen zorgverleners helpen beter geïnformeerde – en snellere – beslissingen te nemen over wondbehandeling en het toedienen van antibiotica.

Omdat verhoogde waterdamp, CO2 en VOS in verband worden gebracht met bacteriegroei en vertraagde genezing, kan het monitoren van deze factoren zorgverleners helpen infecties eerder en met meer vertrouwen op te sporen.

“Het voorschrijven van antibiotica voor wonden kan een beetje een gok zijn”, zegt Ameer, een expert op het gebied van regeneratieve technische benaderingen om de wondgenezing te verbeteren. "Soms is het moeilijk te zeggen of een wond geïnfecteerd is of niet. Tegen de tijd dat het duidelijk is, kan het te laat zijn en kan de patiënt sepsis ontwikkelen, wat ongelooflijk gevaarlijk is. Om dit te voorkomen, schrijven artsen een breed scala aan antibiotica voor. Dat kan leiden tot antibioticaresistentie, wat een groeiend probleem is in de gezondheidszorg. Het is voor de hand liggend en belangrijk om een wond nauwlettend in de gaten te kunnen houden en een antibioticum voor te kunnen schrijven bij de eerste tekenen van infectie."

Hoewel continue monitoring belangrijk is voor alle soorten wonden, is dit vooral van cruciaal belang voor diabetespatiënten. Ameer heeft eerder verschillende strategieën ontwikkeld, waaronder antioxiderende gels en regeneratieve verbanden, voor de behandeling van diabetische zweren. Nog maar twee jaar geleden werkte Ameer samen met Rogers om het eerste tijdelijke elektronische verband te creëren, dat gebruik maakte van elektrische stimulatie om de wondgenezing te versnellen. Deze nieuwe wearable biedt nog een hulpmiddel om deze kwetsbare patiënten te helpen risicovolle bijwerkingen te voorkomen.

“Diabetische zweren zijn wereldwijd de belangrijkste niet-traumatische oorzaak van amputaties van de onderste ledematen”, zegt Ameer. "Soms lijkt het erop dat de wond zich sluit, maar de huidbarrièrefunctie is nog niet helemaal hersteld. Ons apparaat kan de uitgestoten gassen nauwkeurig meten, wat nuttige informatie oplevert over de huidbarrièrefunctie."

Deze innovatieve nieuwe technologie biedt niet alleen ongekende inzichten in wondgenezing en huidgezondheid, maar kan ook de weg vrijmaken voor vooruitgang bij het monitoren van de werkzaamheid van insectenwerende middelen, huidcrèmes en systemische medicijnen die zijn ontworpen om de gezondheid van de huid te verbeteren.

CO2 en VOS zijn juist de gassen die muggen en ander ongedierte aantrekken. Het meten van deze emissies van de huid zou onderzoekers dus kunnen helpen de aantrekkingskracht van muggen te begrijpen en mogelijk te verminderen. Het nieuwe apparaat zou dermatologen en hun patiënten ook in staat kunnen stellen te meten hoe snel lotions en crèmes de huid binnendringen, wat inzicht zou kunnen geven in de doorlaatbaarheid van de huid en de barrièrefunctie. Deze gegevens kunnen andere onderzoekers ook helpen effectievere systemen voor transdermale toediening van medicijnen te ontwikkelen, de effecten van systemisch toegediende medicijnen voor huidziekten te monitoren en de veiligheid van cosmetica en producten voor persoonlijke verzorging te evalueren.

Vervolgens is het Northwestern-team van plan de mogelijkheden van het apparaat te verfijnen, waaronder het toevoegen van een sensor om veranderingen in de pH-niveaus te volgen en het ontwikkelen van gassensoren met verhoogde chemische selectiviteit voor vroege detectie van orgaanstoornissen en andere ziekten.

“Dit ongebruikelijke draagbare platform biedt een nieuwe manier om na te denken over de gezondheid van de huid en deze te begrijpen”, aldus Rogers. "Deze technologie gaat niet alleen over het meten van gassen en overeenkomstige kenmerken van de huid. Het gaat over het voorspellen van de algehele gezondheid, het voorkomen van infecties en ziekten en het creëren van een toekomst waarin gepersonaliseerde zorg wordt aangedreven door realtime, niet-invasieve, continue gezondheidsmonitoring via een nieuwe verzameling parameters die een aanvulling vormen op de parameters die kunnen worden vastgelegd met conventionele wearables."

Bron