Pesquisadores da Northwestern University apresentam um estetoscópio vestível sem fio para monitoramento contínuo dos sinais vitais

Os primeiros wearables do gênero capturam sons corporais para monitorar continuamente a saúde
Os novos dispositivos foram testados em diversos pacientes, de bebês prematuros a idosos

Data de lançamento: 16 de novembro de 2023

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De batimentos cardíacos a gorgolejos estomacais, os sons contêm informações importantes sobre a saúde
Novos dispositivos sem fio são colocados sobre a pele para capturar continuamente os sons e, em seguida, transmitir os dados para smartphones ou tablets em tempo real
Os dispositivos separam os sons dentro do corpo do ruído ambiente fora do corpo
Em estudos-piloto, os dispositivos rastrearam com precisão os sons associados à função cardiorrespiratória, à atividade gastrointestinal, à deglutição e à respiração
Os dispositivos são particularmente valiosos para bebês prematuros, que podem apresentar apneias e complicações gastrointestinais, que são acompanhadas por sons

EVANSTON, Illinois - Até mesmo durante as consultas mais rotineiras, os médicos ouvem sons dentro do corpo de seus pacientes - o ar entrando e saindo dos pulmões, os batimentos cardíacos e até mesmo o alimento digerido progredindo pelo longo trato gastrointestinal. Esses sons fornecem informações valiosas sobre a saúde de uma pessoa. E quando esses sons mudam sutilmente ou param de funcionar, isso pode sinalizar um problema sério que exige uma intervenção urgente.

Agora, os pesquisadores da Northwestern University estão introduzindo novos dispositivos portáteis macios e miniaturizados que vão muito além das medições episódicas obtidas durante exames médicos ocasionais. Suavemente aderidos à pele, os dispositivos rastreiam continuamente esses sons sutis de forma simultânea e sem fio em vários locais em praticamente qualquer região do corpo.

O novo estudo foi publicado hoje (16 de novembro) na revista Nature Medicine.

Em estudos-piloto, os pesquisadores testaram os dispositivos em 15 bebês prematuros com distúrbios respiratórios e de motilidade intestinal e em 55 adultos, incluindo 20 com doenças pulmonares crônicas. Os dispositivos não apenas funcionaram com precisão de nível clínico, mas também ofereceram novas funcionalidades que não foram desenvolvidas nem introduzidas na pesquisa ou no tratamento clínico.

"Atualmente, não há métodos existentes para monitorar continuamente e mapear espacialmente os sons corporais em casa ou em ambientes hospitalares", disse John A. Rogers, da Northwestern, um pioneiro da bioeletrônica que liderou o desenvolvimento do dispositivo. "Os médicos precisam colocar um estetoscópio convencional ou digital em diferentes partes do tórax e das costas para ouvir os pulmões ponto a ponto. Em estreita colaboração com nossas equipes clínicas, nos propusemos a desenvolver uma nova estratégia para monitorar os pacientes em tempo real, de forma contínua e sem os obstáculos associados à tecnologia rígida, com fios e volumosa."

"A ideia por trás desses dispositivos é fornecer uma avaliação contínua e altamente precisa da saúde do paciente e, em seguida, tomar decisões clínicas nas clínicas ou quando os pacientes são internados no hospital ou conectados a ventiladores", disse o Dr. Ankit Bharat, cirurgião torácico da Northwestern Medicine, que liderou a pesquisa clínica com adultos. "Uma das principais vantagens desse dispositivo é a capacidade de ouvir e comparar simultaneamente diferentes regiões dos pulmões. Simplificando, é como se até 13 médicos altamente treinados ouvissem diferentes regiões dos pulmões simultaneamente com seus estetoscópios, e suas mentes estivessem sincronizadas para criar uma avaliação contínua e dinâmica da saúde pulmonar que é traduzida em um filme em uma tela de computador real."

Rogers é Louis Simpson e Kimberly Querrey Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurológica na McCormick School of Engineering da Northwestern e na Feinberg School of Medicine da Northwestern University. Ele também dirige o Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Bharat é o chefe de cirurgia torácica e Harold L. e Margaret N. Method Professor of Surgery na Feinberg. Como diretor do Northwestern Medicine Canning Thoracic Institute, Bharat realizou os primeiros transplantes de pulmão duplo em pacientes com COVID-19 nos EUA e iniciou um programa inédito de transplante de pulmão para determinados pacientes com câncer de pulmão em estágio 4.

Rede de detecção abrangente e não invasiva

Contendo pares de microfones digitais e acelerômetros de alto desempenho, os dispositivos pequenos e leves aderem suavemente à pele para criar uma rede de detecção abrangente e não invasiva. Ao capturar sons simultaneamente e correlacionar esses sons aos processos corporais, os dispositivos mapeiam espacialmente como o ar flui para dentro, através e para fora dos pulmões, bem como como o ritmo cardíaco muda em estados variados de repouso e atividade, e como os alimentos, gases e fluidos se movem pelos intestinos.

Encapsulado em silicone macio, cada dispositivo mede 40 milímetros de comprimento, 20 milímetros de largura e 8 milímetros de espessura. Dentro desse pequeno espaço, o dispositivo contém uma unidade de memória flash, uma bateria minúscula, componentes eletrônicos, recursos Bluetooth e dois microfones minúsculos - um voltado para dentro, em direção ao corpo, e outro voltado para fora, em direção ao exterior. Ao captar os sons em ambas as direções, um algoritmo pode separar os sons externos (do ambiente ou de órgãos vizinhos) dos sons internos do corpo.

"Os pulmões não produzem som suficiente para uma pessoa normal ouvir", disse Bharat. "Eles simplesmente não são altos o suficiente, e os hospitais podem ser lugares barulhentos. Quando há pessoas falando por perto ou máquinas apitando, pode ser incrivelmente difícil. Um aspecto importante da nossa tecnologia é que ela pode corrigir esses sons ambientes."

A captura do ruído ambiente não apenas permite o cancelamento de ruído, mas também fornece informações contextuais sobre os ambientes ao redor dos pacientes, o que é particularmente importante no tratamento de bebês prematuros.

"Independentemente da localização do dispositivo, a gravação contínua do ambiente sonoro fornece dados objetivos sobre os níveis de ruído aos quais os bebês estão expostos", disse o Dr. Wissam Shalish, neonatologista do Montreal Children's Hospital e coautor do artigo. "Ele também oferece oportunidades imediatas para abordar quaisquer fontes de estímulos auditivos estressantes ou potencialmente comprometedores."

Monitoramento não intrusivo da respiração dos bebês

Ao desenvolver os novos dispositivos, os pesquisadores tinham em mente duas comunidades vulneráveis: bebês prematuros na unidade de terapia intensiva neonatal (NICU) e adultos pós-cirurgia. No terceiro trimestre da gravidez, o sistema respiratório dos bebês amadurece para que eles possam respirar fora do útero. Portanto, os bebês nascidos antes ou nos primeiros estágios do terceiro trimestre têm maior probabilidade de desenvolver problemas pulmonares e complicações respiratórias.

Particularmente comuns em bebês prematuros, as apneias são uma das principais causas de hospitalização prolongada e, possivelmente, de morte. Quando ocorrem apneias, os bebês não respiram (devido a centros respiratórios imaturos no cérebro) ou têm uma obstrução nas vias aéreas que restringe o fluxo de ar. Alguns bebês podem até ter uma combinação dos dois. No entanto, não há métodos atuais para monitorar continuamente o fluxo de ar à beira do leito e distinguir com precisão os subtipos de apneia, especialmente nesses bebês mais vulneráveis na UTIN clínica.

"Muitos desses bebês são menores do que um estetoscópio e, por isso, já são tecnicamente difíceis de monitorar", disse a Dra. Debra E. Weese-Mayer, coautora do estudo, chefe de medicina autonômica do Ann & Robert H. Lurie Children's Hospital of Chicago e professora Beatrice Cummings Mayer de medicina autonômica no Feinberg. "A beleza desses novos dispositivos acústicos é que eles podem monitorar um bebê de forma contínua e não invasiva - durante a vigília e o sono - sem perturbá-lo. Esses dispositivos acústicos vestíveis oferecem a oportunidade de determinar, de forma segura e discreta, a "assinatura" de cada bebê em relação ao movimento do ar (para dentro e para fora das vias aéreas e dos pulmões), sons cardíacos e motilidade intestinal durante o dia e a noite, com atenção à ritmicidade circadiana. E esses wearables monitoram simultaneamente o ruído ambiente que pode afetar a 'assinatura' acústica interna e/ou introduzir outros estímulos que podem afetar o crescimento e o desenvolvimento saudáveis."

Em estudos colaborativos realizados no Hospital Infantil de Montreal, no Canadá, os profissionais de saúde colocaram os dispositivos acústicos em bebês logo abaixo do entalhe supraesternal na base da garganta. Os dispositivos detectaram com sucesso a presença de movimentos do fluxo de ar e do tórax e puderam estimar o grau de obstrução do fluxo de ar com alta confiabilidade, permitindo assim a identificação e a classificação de todos os subtipos de apneia.

"Quando colocados no entalhe supraesternal, a capacidade aprimorada de detectar e classificar apneias pode levar a um atendimento mais direcionado e personalizado, melhores resultados e redução do tempo de hospitalização e dos custos", disse Shalish. "Quando colocado no lado direito e esquerdo do tórax de bebês gravemente enfermos, o feedback em tempo real transmitido sempre que a entrada de ar estiver diminuída em um lado em relação ao outro pode alertar prontamente os médicos sobre uma possível patologia que necessite de intervenção imediata."

Rastreamento da digestão do bebê

Em crianças e bebês, os problemas cardiorrespiratórios e gastrointestinais são as principais causas de morte durante os primeiros cinco anos de vida. Os problemas gastrointestinais, em particular, são acompanhados por sons intestinais reduzidos, que podem ser usados como um sinal de alerta precoce de problemas de digestão, dismotilidade intestinal e possíveis obstruções. Assim, como parte do estudo piloto na UTIN, os pesquisadores usaram os dispositivos para monitorar esses sons.

No estudo, os bebês prematuros usaram sensores em quatro locais do abdômen. Os primeiros resultados se alinharam com as medições da motilidade intestinal de adultos usando sistemas baseados em fios, que é o padrão atual de atendimento.

"Quando colocados no abdômen, a detecção automática de ruídos intestinais reduzidos poderia alertar o médico sobre uma complicação gastrointestinal iminente (às vezes com risco de vida)", disse Shalish. "Enquanto a melhora dos ruídos intestinais pode indicar sinais de recuperação intestinal, especialmente após uma cirurgia gastrointestinal."

"A motilidade intestinal tem seus próprios padrões acústicos e qualidades tonais", disse Weese-Mayer. "Uma vez caracterizada a 'assinatura' acústica de cada paciente, os desvios dessa assinatura personalizada têm o potencial de alertar o indivíduo e a equipe de saúde sobre a iminência de problemas de saúde, enquanto ainda há tempo para intervir para restaurar a saúde."

Além de oferecer monitoramento contínuo, os dispositivos também libertaram os bebês da UTIN da variedade de sensores, fios e cabos conectados aos monitores de cabeceira.

Mapeamento de uma única respiração

Acompanhando o estudo da UTIN, os pesquisadores testaram os dispositivos em pacientes adultos, que incluíam 35 adultos com doenças pulmonares crônicas e 20 controles saudáveis. Em todos os indivíduos, os dispositivos capturaram a distribuição de sons pulmonares e movimentos corporais em vários locais simultaneamente, permitindo que os pesquisadores analisassem uma única respiração em várias regiões dos pulmões.

"Como médicos, muitas vezes não entendemos como uma região específica dos pulmões está funcionando", disse Bharat. "Com esses sensores sem fio, podemos capturar diferentes regiões dos pulmões e avaliar seu desempenho específico e o desempenho de cada região em relação à outra."

Em 2020, as doenças cardiovasculares e respiratórias ceifaram quase 800.000 vidas nos EUA, tornando-as a primeira e a terceira principais causas de morte em adultos, de acordo com os Centros de Controle e Prevenção de Doenças. Com o objetivo de ajudar a orientar as decisões clínicas e melhorar os resultados, os pesquisadores esperam que seus novos dispositivos possam reduzir esses números para salvar vidas.

"Os pulmões podem emitir todos os tipos de sons, incluindo crepitação, chiado, ondulação e uivo", disse Bharat. "É um microambiente fascinante. Ao monitorar continuamente esses sons em tempo real, podemos determinar se a saúde dos pulmões está melhorando ou piorando e avaliar se o paciente está respondendo bem a um determinado medicamento ou tratamento. Assim, podemos personalizar os tratamentos para cada paciente" O estudo, "Wireless broadband acousto-mechanical sensors as body area networks for continuous physiological monitoring", foi apoiado pelo Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics da Northwestern University. Os co-autores do artigo são Jae-Young Yoo, da Northwestern, Seyong Oh, da Hanyang University, na Coreia, e Wissam Shalish, do McGill University Health Centre.