NASA-ondersteunde slimme horloge biedt medische-graad monitoring voor astronauten en patiënten

Ontwikkeld met financiering van een door NASA gesteund consortium, combineert de EmbracePlus medische-graad mogelijkheden en precisie met het uiterlijk, gevoel en comfort van een consumentenproduct. (Afbeelding: Empatica Inc.)

Het leven voor astronauten op het Internationale Ruimtestation is, voor het grootste deel, minder belastend geweest dan in de ruimteshuttle-dagen, wanneer missies vaak veel doelen en mijlpalens in een korte periode omvatten. Dat zal echter niet het geval zijn voor de eerste astronauten die reizen naar het oppervlak van de Maan tijdens het Artemis-programma, zei Alexandra Whitmire, een NASA-wetenschapper wiens werk betrekking heeft op astronautenwelzijn en -prestaties.

"Artemis-missies zullen heel ambitieus zijn, met bemanningen die veel taken moeten uitvoeren, soms over uitgewerkte uren of nachtdiensten," zei ze. "Hun schema's zullen waarschijnlijk storend zijn voor slaappatronen, vergelijkbaar met wat we in de shuttle-dagen ervoeren."

Als Science Manager voor het Human Factors and Behavioral Performance element van NASA's Human Research Program, zoekt Whitmire de beste manieren om astronautenslaap te monitoren en te ondersteunen om hun veiligheid en prestaties te waarborgen. En haar element is slechts één van vijf in het Human Research Program bij NASA's Johnson Space Center in Houston. Andere hebben zorgen zoals astronautenoefening en medische behoeften en het bewaken van hun gezondheid tegen gevaren van de ruimteomgeving, zoals straling.

Het merendeel van de programma-inspanningen zou kunnen baaten bij een draagbaar apparaat capabel van het meten en terugkoppelen over astronautenfysiologie op diverse manieren. Daarom vond Whitmire zich in 2020 geconfronteerd met het recentste werk van medische draagbare technologie bedrijf Empatica Inc. uit Cambridge, MA.

Met hulp van NASA en met een oog op de behoeften van het agentschap, had het bedrijf een slimme horloge ontwikkeld dat vijf sensoren in een klein, comfortabel, aantrekkelijk ontwerp verpakte, wat nu commercieel beschikbaar is als de EmbracePlus.

Ontwikkeling van het apparaat's prototype werd deels gefinancierd door een subsidie van het Translational Research Institute for Space Health (TRISH), een onderzoeksconsortium dat zoekt naar manieren om risico's voor astronauten op lange missies te verminderen. TRISH wordt gefinancierd door Johnson en Baylor College of Medicine.

Empatica had eerder een wetenschappelijke-graad slimme horloge gecommercialiseerd bekend als de E4, voornamelijk voor gebruik in academisch onderzoek en klinische studies, alsook een slimme horloge voor het detecteren van epileptische aanvallen om verzorgers te waarschuwen, genaamd de Embrace2, ontworpen om aantrekkelijk en comfortabel voor dagelijks gebruik te zijn.

Voor de EmbracePlus wilde het bedrijf het aantrekkelijke uiterlijk en gevoel van de Embrace2 combineren met de mogelijkheden van de E4. Deze omvatten een versnellingsmeter om beweging te detecteren, een temperatuursensor, een infraroodsensor die hart- en ademhalingsactiviteit monitort, en een andere die elektrische activiteit in de huid detecteert, wat correleert met zenuwstelselactiviteit. De EmbracePlus voegt ook een gyroscoop toe voor verfijnde bewegingdetectie.

"EmbracePlus combineert het mooie ontwerp van Embrace2 met de dataverzamelingsmogelijkheden van de E4, dus het is een medisch apparaat met een consumenten uiterlijk en gevoel, wat gemakkelijk in het dagelijks leven gedragen kan worden," zei Simone Tognetti, Chief Technology Officer bij Empatica.

De ontwikkeling uitgevoerd met de hulp van TRISH-financiering omvatte het evalueren van verschillende sensoren voor het detecteren van hartslag en zuurstofstroom, het uitvoeren van proeven op kritieke functies, het integreren van alle componenten en ontwerpelementen, het bepalen van de meest comfortabele vormfactor, en het kiezen van een display, onder andere werk.

"De financiering stelde ons in staat om belangrijke engineering-functies te implementeren, zoals het plaatsen van de electrodermale activiteitssensoren op een comfortabele, verwisselbare band," zei Tognetti, verwijzend naar de sensoren voor elektrische activiteit in de huid. "Dit was het resultaat van veel R&D in de fabricage, elektrische verbinding, en signaal-kwaliteit implicaties van diverse constructies."

De Human Research Program's behoefte aan een apparaat voor gebruik door astronauten in de ruimte en zelfs in studies op de grond vormde de horloges ook. Whitmire merkte op dat een klein, licht, comfortabel ontwerp essentieel is voor het ruimteprogramma. "U hebt echt een apparaat nodig dat niet obstructief is, dat niet lastig is, dus het veroorzaakt geen stressor op zich," zei ze.

Tognetti zei dat NASA ook vereiste dat de technologie energie-efficiënt, gemakkelijk te gebruiken, en robuust genoeg was om in de harde ruimteomgeving te werken. "We hebben aanpasbare hardware-modi om dataverzameling te optimaliseren met batterijlevensduur, een ingebouwd geheugen dat tot 55 dagen aan data kan opslaan in geval van lage connectiviteit, en een laag-energie display dat ook helpt met troubleshooting," zei hij.

Tegelijkertijd verzamelt het apparaat automatisch en continu data en streamt het via Bluetooth naar de bijbehorende app, wat het naar de cloud duwt. "De gebruiker hoeft alleen te zorgen dat het apparaat geladen en verbonden is," zei hij, met de opmerking dat de app gebruikers ook aan die stappen herinnert.

EmbracePlus ging in 2021 in massaproductie. Het is al goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration als een sleutelcomponent van het Empatica Health Monitoring Platform. Tognetti beschreef het als een platform waar machine learning algoritmes gelijktijdige datastromen van verschillende typen sensoren kunnen analyseren om diverse gezondheidsaspecten te detecteren en monitoren. EmbracePlus sensordata kan op nieuwe manieren gecombineerd worden om verschillende condities te identificeren. Bijvoorbeeld, tijdens de COVID-19-pandemie, ontwikkelde het bedrijf een algoritme om een respiratoire infectie te detecteren voordat symptomen zich voorden.

"De draagbare is al in gebruik in grootschalige klinische proeven en in academisch onderzoek," zei Tognetti, met de opmerking dat klanten enkele van de grootste farmaceutische bedrijven en grote onderzoeksprojecten over de hele wereld omvatten. Onder de laatste zijn twee door de Europese Unie gefinancieerde initiatieven — het Sleep Revolution-project, dat zoekt om machine learning te gebruiken om slaapapnee te diagnosticeren en te behandelen, en het TIMESPAN-project, dat kijkt naar de intersectie van aandachtsdeficiëntie/hyperactiviteitstoornis en condities zoals diabetes en hart- en vaatziekten, met de hoop om behandelingen te optimaliseren en te personaliseren.

Voor onderzoek en klinische proeven, zei hij, "het kunnen krijgen van goudstandaard metingen van deelnemers' huizen of kantoren zonder 100 procent te vertrouwen op zelfrapportage, of op wekelijkse locatiebezoeken die alleen momentopnamen leveren, betekent meer hoog-kwaliteit data en een veel lagere deelnemerslast."

In de toekomst, zei Tognetti, wil het bedrijf ook dat het Empatica Health Monitoring Platform, inclusief de EmbracePlus, "het go-to hulpmiddel" wordt voor het monitoren van patiëntgezondheid buiten klinieken.

Terug bij Johnson Space Center, zei Whitmire dat de EmbracePlus een van de apparaten is die overwogen worden voor het meten van vitale tekenen en slaap-wakker activiteit in ruimtevlucht en grondonderzoek. Het is de versnellingsmeter van het apparaat, die gebruikt kan worden om slaap-wakker cycli te identificeren, die haar groep het meest interesseert, maar ze merkte op dat sommige van de andere sensoren van belang kunnen zijn voor andere elementen van het Human Research Program.

Het polsgedragen apparaat dat astronauten gebruikt hebben om data te verzamelen, gaat uit productie, en ze zei dat de EmbracePlus sommige van de beperkingen van het vorige apparaat kan adresseren, inclusief comfort en connectiviteit, gegeven dat het andere apparaat geen data in real-time streamt.

Voor het monitoren van slaap, zei Whitmire dat ze denkt dat een apparaat als de EmbracePlus ook toepassingen buiten het medische veld kan vinden. Ze merkte op dat vrachtwagentransport, spoorwegen, en andere industrieën vermoeidheidsmanagementsystemen hebben die grotendeels vertrouwen op zelfrapportage. "Er is gevestigd onderzoek dat toont dat we de effecten van slaapdeprivatie op onze prestaties onderschatten," zei ze. "Ik zie deze soort apparaten en, ja, ze zijn belangrijk voor onderzoek, maar in een togepaste setting, hun vermogen om objectieve feedback te geven heeft het potentieel om veiligheid te verbeteren over veel industrieën en om het zorgen voor mensen die uitgewerkte uren of nachtdiensten werken te promoten."

Voor meer informatie, bezoek hier.

Transcript

Geen transcript beschikbaar voor deze video.