Tragbarer kabelloser Polygraph verfolgt versteckte Stresssignale

Ingenieure der Northwestern University haben ein kleines, drahtloses Polygraphensystem entwickelt, das Sie tragen können.

Im Gegensatz zu Lügendetektoren, die in Fernsehkrimis zum Einsatz kommen, ist diese tragbare Version nicht für die Erkennung von Lügen optimiert. Stattdessen haben Ingenieure und Ärzte es so konzipiert, dass es den tief im Körper verborgenen Stress erkennt – ein Verhörraum ist nicht erforderlich.

Das leichte, verbandartige Gerät wird sanft an der Brust befestigt und misst dort gleichzeitig Herzaktivität, Atemmuster, Schweißreaktion, Blutfluss und Temperatur. Zusammen erfassen diese Signale eine Ganzkörperansicht des Stresses in Echtzeit.

Durch die kontinuierliche gleichzeitige Verfolgung mehrerer physiologischer Signale könnte das Gerät Ärzten dabei helfen, Stress und potenzielle Beschwerden bei Patienten – einschließlich Kleinkindern oder älteren Menschen – zu erkennen, die möglicherweise nicht in der Lage sind zu kommunizieren, Schlafstörungen ohne umständliche Laborausrüstung zu diagnostizieren, die psychische Gesundheit im Laufe der Zeit zu überwachen und sogar Frühwarnzeichen für medizinische Komplikationen zu erkennen.

Die Studie wird am Mittwoch (13. Mai) in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.

„Manchmal zeigt der Körper Anzeichen von Stress, bevor eine Person sich dessen bewusst ist“, sagte John A. Rogers von Northwestern, der die Geräteentwicklung leitete. „Selbst wenn die Menschen sich nicht darüber im Klaren sind, unter welchem Druck sie stehen, wirkt sich Stress stillschweigend auf ihre Gesundheit aus. Anhaltender Stress kann nachteilige Folgen haben, insbesondere für schwangere Mütter, Kinder und schwerkranke Patienten Körperflüssigkeiten.“

Als weltbekannter Bioelektronik-Pionier ist Rogers Louis-Simpson- und Kimberly-Querrey-Professor für Materialwissenschaft und -technik, Biomedizintechnik und neurologische Chirurgie an der Northwestern University, wo er an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine der Northwestern University tätig ist. Er leitet außerdem das Querrey Simpson Institute for Bioelectronics und das Querrey Simpson Institute for Translational Engineering and Advanced Medical Systems. Rogers ist zusammen mit Dr. Debra E. Weese-Mayer, Beatrice Cummings Mayer-Professorin für Pädiatrische Autonome Medizin und Professorin für Pädiatrie (Neurologie) am Feinberg und Jae-Young Yoo von der Sungkyunkwan-Universität in Korea, Mitautorin der Studie.

Eine Stimme für die Schwachen

Das Projekt begann auf Anfrage von Kinderärzten des Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital in Chicago. Im Laufe der Jahre hat Rogers‘ Team eine Reihe drahtloser, tragbarer Elektronikgeräte für Säuglinge und Kinder entwickelt – um Vitalfunktionen zu verfolgen, Krankheiten zu überwachen, angeborene Erkrankungen zu behandeln und Krankheiten zu diagnostizieren. Nun baten Kinderärzte Rogers, ein weiches, nicht-invasives Gerät zu entwickeln, um den Stresspegel bei Babys während des Krankenhausaufenthalts zu erkennen und kontinuierlich zu verfolgen, ohne die biochemischen Stresssignaturen in Speichel und Blut zu messen.

Derzeit hängt die Erkennung von Stress bei Babys oft davon ab, was die Pflegekräfte sehen und hören können – Weinen, Mimik und Bewegung – sowie grundlegende Vitalfunktionen. Diese Signale können jedoch subtil, inkonsistent oder sogar ganz fehlen.

Stress wird häufig mithilfe von Umfragebögen und Pflegebeurteilungen bewertet. Die Einträge umfassen Dinge wie Tonalität und Lautstärke des Weinens. Säuglinge können ihr eigenes Schmerzniveau offensichtlich nicht beschreiben. Anders als bei Erwachsenen kann es also eine große Herausforderung sein, Stress bei Babys zu bestimmen. Wir wollten die Subjektivität dieser Einschätzungen beseitigen.“

John A. Rogers, Northwestern University

„Dieses neue Gerät verfolgt rund um die Uhr die Stresssignale des Körpers und hilft dabei, zu quantifizieren, wie lange jemand jeden Tag gestresst ist und wie intensiv dieser Stress ist“, sagte Weese-Mayer, Rogers‘ langjähriger Mitarbeiter. „Das Schöne an dem Gerät ist, dass sowohl Einzelpersonen als auch Gesundheitsdienstleister jetzt Stress erkennen und die Wirksamkeit von Interventionen zur Stressreduzierung und Wiederherstellung eines gesunden Gleichgewichts objektiv überwachen können, und das auf völlig nicht-invasive Weise.“

All-in-One-Stresserkennung

Um dies zu erreichen, fanden Rogers und sein Team Inspiration an einem überraschenden Ort: Polygraphen. Obwohl sie umgangssprachlich „Lügendetektoren“ genannt werden, erkennen Lügendetektoren tatsächlich keine Lügen. Sie messen die Reaktion des Körpers auf Stress, der neben Täuschung auch durch viele andere Faktoren ausgelöst werden kann. Rogers sah eine Gelegenheit, auf dieser Kernidee aufzubauen. Doch während herkömmliche Polygraphengeräte auf einem Flickenteppich sperriger, kabelgebundener Sensoren basieren, wollte Rogers dieselben physiologischen Signale – und noch einige mehr – in einer umfassenderen, vollständig integrierten, präziseren und tragbareren Form erfassen.

Die daraus resultierende Technologie vereint mehrere winzige Sensoren in einem einzigen, weichen Gerät. Zusammen verfolgen diese Sensoren kontinuierlich mehrere physiologische Signale, die alle reagieren, wenn der Körper Stress wahrnimmt. Ein eingebauter Bewegungssensor und ein Miniaturmikrofon erfassen subtile mechanische und akustische Signale von Herz und Lunge. Andere Sensoren erfassen die Hauttemperatur und den Wärmefluss, der mit der oberflächennahen Blutzirkulation verbunden ist. Und ein weiterer Sensor misst Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Haut, die durch die Aktivität der Schweißdrüsen verursacht werden – ein bekannter Stressindikator.

„Die Messung von Stress ist eine komplexe Aufgabe, weil sie mehrdimensional ist“, sagte Rogers. „Es ist nicht möglich, Stress zuverlässig zu bestimmen, indem man nur einen oder zwei oder sogar drei oder vier Parameter misst. Es ist eine breite Sammlung von Faktoren erforderlich. Deshalb haben wir so viele Sensoren für physiologische Prozesse wie möglich in diese Geräteplattform gepackt und dabei eine kompakte Größe und leichte Bauweise beibehalten und den Zugriff auf Bioflüssigkeiten vermieden.“

Das System überträgt diese synchronisierten Datenströme drahtlos an ein Smartphone, eine Smartwatch oder ein Tablet, wo maschinelle Lernalgorithmen in Echtzeit stressbedingte Muster analysieren. Mit einem Gewicht von weniger als 8 Gramm (entspricht acht Büroklammern) und einer natürlichen Bewegung mit der Haut kann das Gerät mehr als 24 Stunden lang ununterbrochen betrieben werden.

Bewährt in realistischen Szenarien

Nach der Entwicklung des Systems validierte Rogers‘ Team es in einer Vielzahl von Szenarien, darunter kontrollierte Experimente und reale Umgebungen. Bei simulierten Lügendetektortests erfasste das tragbare Gerät Stressreaktionen, die durch sensible Fragen ausgelöst wurden, und genau abgestimmte Messungen kommerzieller Polygraphensysteme.

Bei kognitiven Tests, etwa dem Verstehen von Sprache in lauten Umgebungen, erkannte das Gerät eine deutliche Zunahme stressbedingter Signale mit zunehmendem Schwierigkeitsgrad der Aufgaben. Die Ergebnisse stimmten mit gleichzeitigen, unabhängigen Messungen der Pupillenerweiterung überein, einer gängigen Methode zur Bestimmung von Stress.

In einem anderen Experiment legten die Studienteilnehmer ihre Hände in eiskaltes Wasser und das System zeichnete koordinierte Veränderungen der Herzaktivität, Atemmuster, Schweißreaktionen und Temperatursignale auf. In pädiatrischen Schlafstudien identifizierte das tragbare Gerät wichtige klinische Ereignisse, darunter Atemunregelmäßigkeiten und nächtliches Aufwachen, mit einer Genauigkeit, die mit Schlaftests in Krankenhäusern vergleichbar ist, jedoch mit weitaus weniger Störungen.

Und schließlich zeigte das Gerät bei Schulungen in der Notaufnahme mit Medizinstudenten ein auffälliges Muster. Teilnehmer mit stärkeren Stressreaktionen zeigten tendenziell schlechtere Leistungen, was darauf hindeutet, dass Stress die Entscheidungsfindung in Situationen mit hohem Druck beeinträchtigen kann.

„Letztendlich könnte das Gerät einen Alarm an einen Benutzer oder eine Pflegekraft senden, wenn der Stresspegel eine bestimmte Grenze erreicht“, sagte Rogers. „Viele Menschen sind sich des Stressniveaus, dem sie ausgesetzt sind, möglicherweise nicht ganz bewusst und erkennen möglicherweise nicht, dass dieser ihre Leistung beeinträchtigt.“

Was kommt als nächstes?

Als nächstes möchte das Team seine Technologie über Validierungsstudien hinaus in eine breitere klinische Anwendung bringen. Zu den nächsten Schritten gehören das Testen des Geräts an größeren Patientengruppen, die Weiterentwicklung seiner Fähigkeit zur Personalisierung der Stresserkennung und die Integration in Überwachungssysteme im Krankenhaus und zu Hause, um einen kontinuierlichen Echtzeit-Einblick in die Gesundheit des Patienten zu ermöglichen.

Rogers erforscht außerdem Möglichkeiten, noch mehr Sensoren in das Gerät zu integrieren, einschließlich der Möglichkeit, die Gehirnaktivität zu messen. Das Hinzufügen von Elektroenzephalogramm-Funktionen (EEG) würde es dem Gerät ermöglichen, über die Messung der Stressreaktion des Körpers hinaus zu erfassen, wie das Gehirn diesen Stress wahrnimmt. Dies könnte Wissenschaftlern näher daran bringen, Stress von Schmerzen zu unterscheiden – auch im häuslichen Umfeld – und zu verstehen, wie dieser im Kontext der gleichzeitig erfassten Stress-Biomarker erlebt wird.

„Wir leben in stressigen Zeiten, ohne ausreichende Maßnahmen, um Stress proaktiv zu erkennen“, sagte Weese-Mayer. „Indem wir Stress – ob umweltbedingt oder krankheitsbedingt – früher erkennen, können wir eingreifen, bevor die Auswirkungen von Stress irreversibel werden.“

Die Studie „Drahtloses, mit der Haut verbundenes multimodales Sensorsystem zur kontinuierlichen psychophysiologischen Überwachung – ein tragbares Polygraphgerät“ wurde vom Querrey Simpson Institute for Bioelectronics unterstützt.

Quellen: