KI-gestützter Sensor ermöglicht mobile Herztests

Die neueste Innovation des Gesundheitssektors kommt aus San Diego: Ingenieure und Ärzte der University of California entwickelten ein nicht-invasives Gerät, das unterwegs Ultraschall-Scans des Herzes durchführen kann. Dabei erfasst es sowohl die Struktur des Organs als auch die Herzfunktion. Der neue Herzmonitor hat etwa die Größe einer Briefmarke; die Anwendungsdauer beträgt bis zu 24 Stunden – selbst während eines anstrengenden Trainingsprogramms.

Für Sheng Xu, Professor für Nanoengineering und Leiter des Projekts, ist das Ziel klar: Mit dem Gerät soll ein breiteres Publikum Zugang zu Ultraschalluntersuchungen erhalten. So ließen sich Echokardiogramme ersetzen, für die geschulte Techniker und sperrige Geräte erforderlich sind. „Diese Technologie ermöglicht es jedem, überall Ultraschallbilder zu machen. Da die Risiken für Herzerkrankungen stetig zunehmen, sind auch fortschrittlichere und umfassendere Überwachungsverfahren notwendig. Eine kontinuierliche Echtzeit-Überwachung der Herzbilder kann die gesamte Diagnostik in ihren Grundzügen revolutionieren, da sie Patienten und Ärzten viel detailliertere Angaben liefert“, betont Xu.

Der weiche, selbstklebende Sensor gleicht der Haut und grenzt die Bewegungsfreiheit der Patienten nicht ein. Lediglich die Befestigung auf der Brust sorgt für minimale körperliche Bewegungs-Einschränkungen. Das Gerät sendet und empfängt Ultraschallwellen, die einen konstanten Strom von Bildern der Herzstruktur in Echtzeit erzeugen.

Dabei nutzt die Software Algorithmen mit künstlicher Intelligenz, um die Menge an Blut zu messen, die das Herz durch den Körper pumpt. Eine wichtige Funktion – denn eine unzureichende Blutversorgung gehört zu den häufigsten Ursachen für die meisten Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Dazu kann das neue Gerät die Herzfunktion genauer diagnostizieren, indem es Ultraschalluntersuchungen von überall aus möglich macht. Schließlich machen sich viele Probleme mit dem Organ nur dann bemerkbar, wenn der Körper in Bewegung ist.

„Ein Deep-Learning-Modell segmentiert automatisch die Form der linken Herzkammer aus der kontinuierlichen Bildaufnahme. Gleichzeitig extrahiert es das Volumen Bild für Bild und erzeugt Wellenformen zur Messung des systolischen Volumens, der Herzleistung und der Auswurffraktion“, erklärt Mohan Li, Masterstudent in der Gruppe von Professor Xu an der University of California in San Diego.

Der Herzüberwachungssensor nimmt kontinuierlich Bilder der vier Herzkammern aus verschiedenen Winkeln auf und analysiert mithilfe von künstlicher Intelligenz eine klinisch relevante Teilmenge in Echtzeit. Aktuelle Methoden haben dagegen eine begrenzte Stichprobenkapazität und liefern nur wenige Daten. Darüber hinaus minimiert die neue Technologie die Unannehmlichkeiten für den Patienten und vermeidet eine Belastung mit Strahlung, die bei Untersuchungen wie CT- und PET-Scans erforderlich ist.

Das Projekt fußt dabei auf der umfassenden Erfahrung des Forschungsteams im Bereich der tragbaren Bildgebungstechnologien für tiefes Gewebe – und wurde bereits am 25. Januar in der Zeitschrift „Nature“ vorgestellt. In der derzeitigen Phase wird der Sensor über Kabel mit einem Computer verbunden, um die Daten zu übertragen. Das Team um Xu hat aber bereits eine drahtlose Schnittstelle entwickelt, die in einer der nächsten Veröffentlichungen der Studie vorgestellt wird.

Die Vermarktung der Technologie soll Softsonics übernehmen – eine Ausgründung der University of California in San Diego, die Professor Xu zusammen mit dem Ingenieur Shu Xiang ins Leben rief.

Über das Herz hinaus

Die Erforschung des „Intelligenten Pflasters“ ist auch aus anderen Gründen interessant: So lassen sich damit auch bestimmte Biomarker in der Haut aufspüren, um neurodegenerative Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer frühzeitig zu erkennen. Ein Wissenschaftler der Universität Swansea im Vereinigten Königreich hat eine Technologie entwickelt, bei der Mikronadeln zum Einsatz kommen. Sie durchbrechen die Hautbarriere auf minimalinvasive Weise und können Biomarker von klinischer Bedeutung überwachen.

„Die Haut ist das größte Organ des menschlichen Körpers und enthält neben Blut zahlreiche weitere Flüssigkeiten. Diese besitzen bestimmte Biomarker, die mit sich denen anderer Bioflüssigkeiten wie Schweiß, Speichel und Urin ergänzen. Sie können ohne großen Eingriff entnommen und auf verschiedene Weise getestet werden. Alternativ lassen sie sich aber auch mithilfe von Mikronadelpflastern in Echtzeit analysieren“, erklärt Sanjiv Sharma. Der Wissenschaftler hat das weltweit erste „intelligente Pflaster“ für Covid-19 entwickelt.

Der Sensor hat eine kurze Messzeit von 6 Minuten, ist dabei sehr genau und hat eine niedrige Nachweisgrenze. Dieses neue Diagnoseinstrument wird die Haut laut Ansicht der Forscher zu einem wichtigen Hilfsmittel machen – einer Art Fenster, das den Blick in den Körper und auf lebenswichtige Organe wie das Gehirn freigibt.

Die Universität Swansea arbeitet mit Forschungspartnern im Vereinigten Königreich, Portugal, Frankreich und Japan zusammen, um den Bereich der transdermalen Diagnostik zu auszuweiten. dabei steht auch die Entwicklung von Diagnosegeräten für verschiedene andere Anwendungen im Gesundheitswesen auf dem Plan.

Experten prognostizieren ein Wachstum des Marktes für elektronische Hautpflaster, das zwischen 2022 und 2027 eine durchschnittliche jährliche Rate von 20,17 % erreichen soll. Neben Universitäten arbeiten auch Start-ups an elektronischen Hautsensoren zur Messung der Herz- und Atemfrequenz. Ein weiterer Anwendungsbereich: Der Blutalkoholspiegel ließe sich anhand des Schweißes feststellen. Die Pflaster könnten außerdem dabei helfen, Patienten aus der Ferne zu überwachen und Daten außerhalb von Labors und Krankenhäusern zu sammeln. Der das größte Marktsegment für intelligente Pflastern liegt in der Überwachung des Diabeteszustands (43,51 %) – Schätzungen zufolge wird es bis 2027 weltweit etwa 18,1 Milliarden US-Dollar erreichen.