Neues Hautpflaster könnte sperrige Polygraphen und Schlafmonitore ersetzen

Ein weiches, kabelloses Brustpflaster könnte sperrige Polygraphen und Schlaflaborkabel ersetzen, indem es die verborgenen Stresssignale des Körpers in realen Umgebungen kontinuierlich verfolgt, vom Notfallmedizintraining bis hin zu Schlafstörungen bei Säuglingen.

Studie: Drahtloses, mit der Haut verbundenes multimodales Sensorsystem zur kontinuierlichen psychophysiologischen Überwachung – ein tragbares Polygraph-Gerät. Bildnachweis: clicksdemexico/Shutterstock.com

Ein aktueller Wissenschaftliche Fortschritte Ziel der Studie war die Entwicklung und Validierung einer neuartigen tragbaren Plattform, die eine kontinuierliche, zeitsynchronisierte Messung von Herz-, Atmungs-, elektrodermalen und thermischen Signalen für eine erweiterte psychophysiologische Beurteilung und translationale klinische Anwendungen ermöglicht.

Herausforderungen bei der psychophysiologischen Überwachung

Eine genaue psychophysiologische Überwachung ist für die Charakterisierung von Stress und autonomer Dysfunktion bei verschiedenen Erkrankungen unerlässlich. Subtile Schwankungen der kardialen, respiratorischen, elektrodermalen und thermischen Aktivität fungieren als Biomarker für physiologische Beeinträchtigungen und Stress. Diese Parameter sind voneinander abhängig, wobei Stress über autonome Wege koordinierte, aber dennoch individuelle Veränderungen hervorruft. Eine umfassende Bewertung erfordert daher eine gleichzeitige, multimodale Erfassung.

Herkömmliche Ansätze wie Polygraphie und Polysomnographie nutzen mehrere kabelgebundene Sensoren, die am Körper befestigt werden, was die Praktikabilität und den Komfort einschränkt. Die inhärente Komplexität und Unbequemlichkeit dieser Systeme kann zu sekundärem Stress führen und die Messgenauigkeit verringern, was ihre Anwendbarkeit im klinischen Umfeld und bei gefährdeten Gruppen einschränkt.

Tragbare bioelektronische Geräte, insbesondere weiche, in die Haut integrierte Plattformen mit drahtloser, multimodaler Sensorik, sind entstanden, um diese Einschränkungen zu überwinden, indem sie eine gleichzeitige, wenig belastende Datenerfassung bei täglichen Aktivitäten ermöglichen. Allerdings sind die meisten aktuellen Wearables auf einen oder zwei Parameter beschränkt oder basieren auf Schweißbiomarkern, die durch Drüsenaktivierungsanforderungen und zeitliche Verzögerungen beeinträchtigt werden.

Bisher gibt es keine bestehende Plattform, die Herz-, Atmungs-, elektrodermale und thermische Überwachung in einem einzigen miniaturisierten, patientenfreundlichen Gerät vereint, das sowohl für klinische als auch für Laborumgebungen validiert wurde.

Entwicklung und Validierung eines multimodalen Sensorsystems mit Hautschnittstelle

Forscher haben ein drahtloses, mit der Haut verbundenes multimodales Sensorsystem (SIMSS) für die kontinuierliche psychophysiologische Überwachung entwickelt. SIMSS erfasst Herz- und Atemfrequenzen sowie deren Variabilität, Herzgeräuschintensität, elektrodermale Aktivität, Temperatur und Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht so eine umfassende Echtzeitbewertung der autonomen und stressbedingten Physiologie.

Algorithmen des maschinellen Lernens (ML), die auf SIMSS-Daten angewendet werden, klassifizieren Stressereignisse und physiologische Zustände genau, obwohl diese Ergebnisse von relativ kleinen Teilnehmerkohorten in den Validierungsstudien abgeleitet wurden. In Validierungsstudien wurden Daten von sieben Probanden gesammelt, wobei einige Analysen bei sechs Teilnehmern im Rahmen von Lügendetektorinterviews mit SIMSS und einem kommerziellen Polygraphensystem berichtet wurden.

Nach einer 10-minütigen Pause beantworteten die Teilnehmer zufällig ausgewählte Kontrollfragen und sensible Fragen, getrennt durch 30-Sekunden-Intervalle. Aus SIMSS-Daten extrahierte multimodale Merkmale ermöglichten es ML, physiologische Veränderungen während der Befragung empfindlich zu erkennen.

Zur Schlafüberwachung trugen 13 pädiatrische Patienten im Alter von 7 bis 30 Monaten SIMSS-Geräte auf der Brust, ohne die Systeme der klinischen Polysomnographie (PSG) zu beeinträchtigen. In einer separaten Simulationslaborschulung trugen sechzehn pädiatrische Assistenzärzte im zweiten Jahr sowohl SIMSS als auch ein Referenz-EKG-Gerät, wobei in sieben Sitzungen Daten gesammelt wurden, um die Leistung in realistischen Szenarien zu bewerten.

SIMSS demonstriert die hochpräzise Erkennung von physiologischem Stress

SIMSS verfolgte kontinuierlich die Atemfrequenz, die Variabilität der Atemfrequenz, die elektrodermale Aktivität und die Hauttemperatur und ermöglichte so eine umfassende Überwachung stressbedingter autonomer Reaktionen. Die Anwendung von ML auf diese multimodalen Daten ermöglichte eine genaue Unterscheidung zwischen Stress und Ruhe und reproduzierte wichtige physiologische Informationen, die von Polygraph-Systemen in Echtzeit und in naturalistischen Umgebungen erfasst wurden.

Der multimodale Ansatz verbesserte auch die mechanistische Interpretation koordinierter autonomer Reaktionen über physiologische Systeme hinweg, anstatt sich auf einen einzelnen Stressmarker zu verlassen. Das Gerät erfasste physiologische Reaktionen auf kognitiven Stress bei Sprach-in-Lärm-Aufgaben, wobei die Ergebnisse mit denen der Pupillometrie übereinstimmten.

Als tragbarer Polygraph erfasste SIMSS zuverlässig physiologische Reaktionen während Interviews, passte kommerzielle Systeme an und bestätigte die sympathische Aktivierung. Als Reaktion auf sensible Fragen erkannte das Gerät schnell schnelle Anstiege von Stressmarkern in mehreren Bereichen.

Das Gerät erkannte eine breite autonome Aktivierung bei kognitivem Stress, insbesondere in anspruchsvollen Phasen. Die Gruppenanalyse bestätigte trotz individueller Variabilität konsistente, signifikante physiologische Steigerungen. ML unter Verwendung von Gerätedaten ermöglichte eine detaillierte Profilierung der Stressreaktivität, die für stressbedingte Störungen relevant ist.

Die Validierung der Überwachung körperlicher Belastung zeigte, dass die Geräteergebnisse denen von FDA-zugelassenen Referenzgeräten weitgehend entsprachen und durch Cortisolmessungen gestützt wurden. Die koordinierten Anstiege der physiologischen Marker während Kaltpressortests stimmten weitgehend mit denen von Elektrokardiogrammen (EKG) und Blutdruckmessgeräten überein und erfassten stressbedingte vasomotorische und mikrovaskuläre Veränderungen.

ML unterschied körperliche Belastung mit hoher Sensitivität und Spezifität von Ruhe und identifizierte Herzfrequenz und Atemvariabilität als primäre Marker. Das Gerät erfasste deutliche Signaturen sowohl von interozeptivem als auch exterozeptivem Stress und bestätigte so seinen Nutzen in verschiedenen Umgebungen.

Das drahtlose Gerät stellte eine nicht-invasive Alternative zum herkömmlichen PSG für die Schlafüberwachung von Säuglingen dar und ermöglichte eine komfortable, kontinuierliche Beurteilung über Nacht, obwohl sich die Technologie noch in der Forschungs- und Validierungsphase befindet.

Während des pädiatrischen Schlafs stimmten die SIMSS-Aufzeichnungen weitgehend mit den PSG-Ergebnissen überein und erkannten Erregungen, Hypopnoe und Entsättigung zuverlässig, und Urinieren, während Bewegungsartefakte minimiert werden. ML bestätigte eine hohe Sensitivität und Spezifität für die Erkennung von Schlafereignissen, wobei Atmungs-, Herz- und Wärmesignale die dominanten Prädiktoren waren.

Bei Säuglingen mit Down-Syndrom zeigte das Gerät deutliche autonome Signaturen, eine höhere parasympathische Aktivität und niedrigere Stressmarker als bei gesunden Kontrollpersonen, was sein Potenzial für eine frühzeitige Risikobewertung und Intervention bei gefährdeten pädiatrischen Bevölkerungsgruppen untermauert.

Der Einsatz von SIMSS während des Notfallmedizintrainings demonstrierte die Anwendbarkeit des Geräts in dynamischen Umgebungen. Sitzungsspezifische Stressreaktionen wurden zuverlässig erkannt, wobei die kardialen und elektrodermalen Marker in anspruchsvollen Szenarien anstiegen und während der Nachbesprechung abnahmen, unabhängig von Bewegungsartefakten und eng übereinstimmenden Referenzwerten im Elektrokardiogramm (EKG).

Die Gruppenanalyse zeigte eine hohe Variabilität der Stressmarker über die Sitzungen hinweg, insbesondere in komplexen Szenarien, was die unterschiedliche Stressreaktivität der Teilnehmer widerspiegelte. Die Autoren stellten fest, dass weitere Studien an größeren und vielfältigeren Populationen wichtig sein werden, um die Generalisierbarkeit und die langfristige Leistung in der Praxis zu bewerten.

Bemerkenswerterweise waren höhere physiologische Stressreaktionen mit einer geringeren Leistung verbunden, was das Potenzial des Geräts zur Information über Bildungsstrategien und das Belastbarkeitstraining unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Forscher haben eine vielseitige, klinisch relevante Plattform entwickelt, die psychophysiologischen Stress und Schlafereignisse in verschiedenen Umgebungen genau erfasst. Allerdings handelt es sich bei der Studie in erster Linie um eine Validierungsmaßnahme im Frühstadium, und vor einer breiten klinischen Einführung sind weitere groß angelegte Längsschnittstudien erforderlich.

Eine Ausweitung des Einsatzes auf die Intensivpflege, Verhaltensgesundheit und neuroviszerale Medizin könnte die physiologische Sensorik weiter in Präzisionstherapien integrieren. Durch die Aufklärung der Zusammenhänge zwischen autonomem Ungleichgewicht, Stressreaktionen und Gesundheitsergebnissen hat diese Technologie das Potenzial, die Diagnostik zu verbessern, die Ausbildung zu personalisieren und die therapeutische Überwachung in mehreren Bereichen, einschließlich Stressmedizin, Pädiatrie und Verhaltensgesundheit, zu verbessern.

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Quellen: