Neuartiges tragbares Ultraschallpflaster verbessert die Überwachung von Hochrisikoschwangerschaften

Aktuelle fetale Überwachungsinstrumente für Ärzte zur engen Begleitung von Risikoschwangerschaften sind unzureichend, daher haben Forscher der Stanford Medizin, der Universität von Kalifornien in San Diego und der Universität Oxford ein tragbares Ultraschallpflaster entwickelt, um solche Schwangerschaften zu überwachen. Das Pflaster haftet am Bauch der Patientin und liefert kontinuierlich Echtzeitinformationen über den Blutfluss im Fötus und in der Nabelschnur.

Das Gerät, dessen Design und erste Validierung an mehreren Dutzend schwangeren Patientinnen am 26. Mai in Nature Biotechnology veröffentlicht wurde, bietet vielversprechende Möglichkeiten, Ärzten zu helfen, Bedingungen wie das intrauterine Wachstumsrestriktionssyndrom zu überwachen, das 10 % aller Schwangerschaften betrifft. Bei dieser Schwangerschaftskomplikation wächst der Fötus aufgrund von begrenztem Sauerstoff oder Nährstoffen langsam, was durch einen unzureichenden Blutfluss durch die Nabelschnur verursacht wird. In schweren Fällen bringen Ärzte das Baby frühzeitig zur Welt, um ein besseres Wachstum zu ermöglichen oder eine Totgeburt zu vermeiden.

„Es gibt nichts Vergleichbares auf dem Markt oder in der wissenschaftlichen Literatur“, sagte der leitende Studienautor Sheng Xu, PhD, Professor für Anästhesiologie, perioperative und Schmerzmedizin an der Stanford Medizin. Xu war zuvor Professor an der UC San Diego, wo der Großteil der Forschung durchgeführt wurde.

Die leitenden Autoren der Studie sind Geonho (Tom) Park, PhD, der jetzt postdoktoraler Wissenschaftler in Anästhesiologie, perioperativer und Schmerzmedizin an der Stanford Medizin ist und während der Durchführung der Forschung Absolvent an der UC San Diego war; sowie die Absolventen der UC San Diego Yizhou Bian, Hao Huang und Sai Zhou.

Xu und Park setzen die Entwicklung des Ultraschallpflasters an der Stanford Medizin fort.

Das Ultraschallpflaster ist ein flexibler, haftender Sticker, etwa so groß wie die Handfläche, der am Bauch haftet. Es ist über ein Kabel mit einem Computer verbunden, der die Ultraschalldaten interpretiert. Die Forscher denken, dass das Pflaster zunächst bei schwangeren Frauen eingesetzt wird, die im Krankenhaus sind, hoffen aber, dass es schließlich eine kabellose Version geben wird, die es Ärzten ermöglicht, Patienten zu Hause zu überwachen.

„Der Blutfluss in der Nabelarterie ist eine der Komponenten, die wir genau beobachten, wenn wir uns um das Wohlbefinden des Fötus bei Fällen von Plazentainsuffizienz sorgen“, sagte Jane Chueh, MD, eine Hochrisiko-Geburtshelferin an der Stanford Medizin, die mit Xus Team bei der weiteren Validierung der Technologie zusammenarbeiten wird. Aber die aktuellen Daten zu erhalten, ist komplex, fügte sie hinzu.

Der Bedarf an fetalen Daten

Im Gegensatz zum neuen Ultraschallpflaster zeigen aktuelle Diagnosewerkzeuge normalerweise nur kleine Zeitabschnitte des fetalen Status.

Die Messung des Blutflusses mit herkömmlichen Doppler-Ultraschallgeräten erfasst nicht nur Daten aus kurzen Zeitfenstern, sondern erfordert auch einen geschulten Ultraschalltechniker und einen Termin, was die Angelegenheit selbst für hospitalisierte Patienten kompliziert, sagte Chueh.

Eine weitere aktuelle Methode zur Beurteilung des Wohlbefindens des Fötus ist die Kardiotokographie, eine kombinierte Messung der fetalen Herzfrequenz und der Uteruskontraktionen, von einem Monitor gewonnen, der am Bauch befestigt ist. Chuehs Team setzt Kardiotokographie bei Frauen mit Hochrisikoschwangerschaften im Lucile Packard Kinderkrankenhaus in Stanford ein.

„Es ist wirklich schwierig, kontinuierlich dabei zu sein“, sagte Chueh und stellte fest, dass die Geräte falsche Signale oder keine Signale geben können, wenn sich der Fötus viel bewegt. „Selbst bei stationären Patienten kann es arbeitsintensiv sein, dreimal täglich genaue Werte zu erhalten.“

Der Monitor kann Rückgänge der fetalen Herzfrequenz anzeigen, entweder aufgrund einer echten Veränderung oder einfach, weil sich der Fötus bewegt hat, was ständige Kontrollen und das Positionieren des Monitors erfordert. „Das ist für beide, die Patientin und das medizinische Personal, sehr stressig“, sagte Chueh.

Fortschrittlichere Überwachungsgeräte würden den Ärzten helfen, die schwierige Entscheidung zu treffen, wann ein Baby bei einer riskanten Schwangerschaft geboren werden soll. Eine frühere Entbindung birgt Risiken für Komplikationen aufgrund von Frühgeburtlichkeit. Aber wenn der Fötus nicht genug Blutfluss erhält, kann es schlimmer sein, auf die Entbindung zu warten.

Eine technische Herausforderung

Bei der Entwicklung des Pflasters mussten die Forscher eine Reihe von Hindernissen überwinden. Im Gegensatz zu den meisten tragbaren Geräten, die Informationen an oder nahe der Körperoberfläche messen, muss dieses Ultraschallpflaster Informationen aus dem Inneren der Gebärmutter sammeln und interpretieren.

Außerdem bewegt sich alles, was sie visualisieren wollten. Nicht nur der Körper der schwangeren Patientin bewegt sich, sondern der Fötus übt seine Drehungen, und die Nabelschnur schwebt frei in der Fruchtblase. Bei einem herkömmlichen Doppler-Ultraschallsetup kann ein Techniker den Wandler der Maschine bewegen, um eine bessere Sicht zu erhalten.

Die Forscher verwendeten eine Kombination aus Strategie und technologischer Innovation, um die Probleme zu bewältigen.

„Wir dachten: ‚Was, wenn wir das Ultraschallgerät auf die Plazenta ausrichten, in dem Bereich, wo die Nabelschnur ansetzt?‘ Auch wenn sich alles bewegt, gibt es eine gewisse Stabilität in der Nabelschnur an diesem Ort.’“

Geonho (Tom) Park, PhD, postdoktoraler Wissenschaftler in Anästhesiologie, perioperativer und Schmerzmedizin, Stanford Medizin

Das Team entwickelte einen Algorithmus zur Bildsegmentierung, der das an der Plazenta verankerte Ende der Nabelschnur in Echtzeit verfolgen kann, ein Schlüsselelement ihres Designs.

Nachdem ein Prototyp entwickelt und getestet wurde, um zu gewährleisten, dass er wie erwartet funktionierte, stellten die Forscher sicher, dass das Gerät nicht zu viel akustische oder mechanische Energie an einen Fötus abgibt. Das Gerät erfüllt die Sicherheitsstandards der U.S. Food and Drug Administration, des American Institute of Ultrasound in Medicine und der British Medical Ultrasound Society.

Der nächste Schritt war die Validierung des Geräts. Das Team testete das Pflaster an 62 schwangeren Frauen und verglich die Ergebnisse mit denen eines herkömmlichen Doppler-Ultraschallgeräts. Das neue Pflaster und die traditionellen Geräte ergaben statistisch äquivalente Ergebnisse.

Das Pflaster kann alle drei Hauptblutgefäße in der Nabelschnur abbilden – zwei Arterien und eine Vene. Es misst auch den Blutfluss durch eine Hauptarterie im Fötus und kann anatomische Strukturen des Fötus wie Kopfumfang, Bauchumfang und Oberschenkelknochengröße messen, um das Gewicht des Fötus zu schätzen, ein wichtiges Maß zur Diagnose von Wachstumsproblemen. Der Bildsegmentierungsalgorithmus verfolgte die Nabelschnur korrekt, ohne dass eine Neupositionierung auf dem Bauch der Mutter erforderlich war, selbst wenn sich die Mütter bewegten. Er funktionierte auch unabhängig von der Lage der Plazenta in der Gebärmutter.

Erkennung einer ernsthaften Komplikation

Während der Validierung des Geräts sah das Forschungsteam bei einer Teilnehmerin etwas Unerwartetes.

„Sie war 28 Wochen schwanger – also noch ziemlich früh – und eine erste Untersuchung zeigte eine normale fetale Herzfrequenz. Dann stellte ich fest, dass das Flusssignal ziemlich abnormal war“, sagte Park. „Ich dachte, dass vielleicht etwas im Gerät nicht funktioniert, also überprüfte ich alles, aber das Gerät schien in Ordnung zu sein. Ich zeigte die Daten den anwesenden Ärzten und sie waren sich einig, dass der Fötus möglicherweise in Gefahr war.“

Die Ultraschalldaten der Teilnehmerin zeigten große Schwankungen im Blutfluss durch die Nabelschnur, im Gegensatz zu einem stabilen Blutfluss bei einer gesunden Patientin im ähnlichen Schwangerschaftsstadium.

Folgetests bestätigten, dass die Teilnehmerin eine schwere Plazentafunktionseinschränkung hatte. Sie wurde von ihren Ärzten engmaschig überwacht, und das Baby wurde vier Tage später per Kaiserschnitt entbunden. Das Baby kam auf die neonatologische Intensivstation und erholte sich gut.

Nächste Schritte

Das Forschungsteam plant, das Ultraschallpflaster an der Stanford Medizin weiter zu verfeinern und zu validieren. Neben dem Bau einer kabellosen Version des Geräts planen sie, es an einer breiteren Patientenbasis mit anderen Schwangerschaftskomplikationen zu testen, die mit schlechtem Blutfluss einhergehen, wie z.B. angeborenen Herzkrankheiten und chronischer Hypertonie.

„Gerade jetzt kann es für Ärzte schwer sein, die Informationen, die wir wollen, genau dann zu bekommen, wenn wir sie brauchen“, sagte Chueh. „Ich denke, dieses Gerät wird uns diese Informationen viel einfacher liefern können.“

„Wir beginnen mit der stationären Bevölkerung, aber vielleicht werden wir es eines Tages auch in der ambulanten Versorgung verwenden können“, fügte sie hinzu.

Die Forschung wurde durch Zuschüsse der National Institutes of Health (Zuschüsse 1R01EB033464-01 und 1R01HL171652-01) sowie durch Zuschüsse von Wellcome Leap und Accelerating Innovation to Market an der UC San Diego finanziert.

Quellen: