Onze lichamen zijn verhalenvertellers. Elke hartslag, gewrichtskraak en elektrisch signaal van een neuron vertelt een verhaal over wat goed en fout gaat in de uitgestrekte, complex systeem dat ons leven geeft.

Hoewel we nu de draagbare technologie hebben om sommige van deze verhalen te vertalen - denk aan Fitbits of gezondheidstrackers op onze smartphones - voor bio-elektronicapionier John A. Rogers, doctoraat, en zijn collega's, die apparaten krassen alleen op het oppervlak van wat we in realtime van het lichaam kunnen onderscheiden.

Rogers, die in 2016 bij Northwestern kwam, ontwikkelt elektronische apparaten die kunnen buigen, rekken, draai en integreer in het menselijk lichaam om zowel ziekten te diagnosticeren als te behandelen. Zoals de Louis Simpson en Kimberly Querrey Professor in Materials Science and Engineering, Biomedische Technologie en Neurologische Chirurgie, Rogers verricht werk dat dwars door disciplines heen gaat om innovatief onderzoek te vertalen naar echte medische doorbraken.

Onlangs, Rogers raakte geïnteresseerd in het ontwikkelen van een draagbare patch die de akoestiek in het lichaam kon opnemen, zoals geluiden in een gewricht of trillingen van spraak. "We vroegen ons af of het mogelijk zou zijn om een ​​zachte, draadloze, op de huid aangesloten apparaat met de vormfactor van een pleister en de functies van een stethoscoop om continu en nauwkeurig de subtiele mechanische en akoestische kenmerken van het lichaam te meten, " hij zegt.

Binnen een korte tijdsperiode, en door het verzinken van noordwestelijke verbindingen, wat Rogers een 'verkennende oefening in materiaalwetenschap en toegepaste fysica' noemde, veranderde in een echt diagnostisch en behandelingsinstrument om de spraak- en slikpatronen van een revaliderende patiënt met een beroerte te meten. Het resultaat, het eerste draagbare apparaat ontworpen voor de keel, is een "veel persoonlijker, kwantitatieve benadering van revalidatie, ' zegt Rogers.

De patch is slechts het begin. Samen met Arun Jayaraman, doctoraat, universitair hoofddocent Fysische geneeskunde en revalidatie en zijn laboratorium in het Shirley Ryan AbilityLab, Rogers heeft sensoren ontwikkeld die over het hele lichaam worden ingezet om een ​​uitgebreid beeld te geven van het herstel van de patiënt.

Spraak volgen, met comfort

De keelsensor is slechts één in een portfolio van innovaties die zijn ontwikkeld in het Northwestern's Centre for Bio-Integrated Electronics. Daar, Rogers en zijn medewerkers hebben materialen en ontwerpbenaderingen ontwikkeld die elektronica transformeren van traditionele stijve siliciumcircuits in zachte, conformeren, dunne apparaten die integreren met het lichaam terwijl ze realtime informatie draadloos verzenden naar zowel artsen als machine learning-algoritmen die nieuwe patronen in gegevens kunnen vinden.

Rogers heeft ook apparaten ontwikkeld die op het lichaam kunnen worden gedragen om de zweetsnelheid en chemie te meten of om blootstelling aan UV-straling van de zon te kwantificeren, evenals apparaten die in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd om energie uit organen te oogsten en automatisch abnormale hartaandoeningen te behandelen.

Soms wordt een apparaat voor één doel ontwikkeld, alleen voor onderzoekers om te ontdekken dat het een tweede capaciteit heeft. Rogers' groep ontwikkelde de akoestische patch oorspronkelijk met het idee dat het nuttig zou kunnen zijn voor een nieuw soort mens-computerinterface, maar ze draaiden zich om nadat ze benaderd waren door Leora Cherney, doctoraat, hoogleraar Fysische Geneeskunde en Rehabilitatie en een onderzoekswetenschapper aan het Shirley Ryan AbilityLab. Ze behandelt patiënten met afasie, het verlies van het vermogen om te spreken of spraak te verstaan ​​na een beroerte.

Ze vroeg of Rogers' keellapje misschien de totale gesprekstijd van patiënten en de cadans van hun spraak kon meten, therapeuten een betere manier bieden om de revalidatie van patiënten te volgen.

Het zou kunnen, zei Rogers. "De patch kan spraak- en spraakpatronen volgen op een manier die volledig immuun is voor omgevingsgeluid, " zegt hij. Het team realiseerde zich al snel dat het apparaat ook het slikken kon meten. Dysfagie - moeite met slikken - is een andere potentieel moeilijke handeling die de kwaliteit van leven van patiënten met een beroerte beïnvloedt.

"Toen we eenmaal begrepen dat het meten van spraak en slikken belangrijk was, we zouden terug kunnen gaan en de apparaten specifiek kunnen aanpassen om die processen te meten, " zegt hij. Het project omvatte het ontwerpen van een flexibele patch met een batterij, radio- en akoestische sensor die aan het zachte deel van de keel zou kunnen kleven en, misschien wel het belangrijkste, comfortabel zijn voor de gebruiker.

"De patch moest zo worden geconstrueerd dat mensen vergeten dat hij er is als ze hem eenmaal hebben aangebracht, ", zegt Rogers. "We streven er aan de technische en materialenkant naar om het volledig huidachtig en fysiek onmerkbaar te maken."

Nadat de pleister was geoptimaliseerd voor patiënten met afasie en dysfagie, Rogers' groep wilde zijn platform uitbreiden met een andere Shirley Ryan AbilityLab-onderzoeker - iemand die, zoals Rogers, hanteert een multidisciplinaire aanpak bij het oplossen van problemen.

Full-body foto van herstel

De ruimte van Arun Jayaraman in het Shirley Ryan AbilityLab is het beeld van translationele geneeskunde. Het Max Näder Lab for Rehabilitation Technologies and Outcomes Research huisvest niet alleen tientallen fysiotherapeuten, ingenieurs, computer wetenschappers, artsen en sociaal psychologen, het heeft ook machinewerkplaatsen voor het bouwen van nieuwe technologieën en ruimte voor patiënten om ze uit te testen.

De groep ontwikkelt en optimaliseert technologieën van de volgende generatie voor mensen met een handicap. In het geval van een beroerte, "vroege interventies zijn van cruciaal belang voor herstel op lange termijn, " zegt Jayaraman, die tevens hoogleraar Medische Sociale Wetenschappen en Fysiotherapie en Bewegingswetenschappen is. Zijn team werkt aan meer dan 30 projecten tegelijk, inclusief prothesen, robotica en adaptieve technologieën.

"Bij elke vraag wil je multidisciplinair " zegt hij. "Elke discipline heeft een denkproces over wat zou kunnen werken. Als je ze combineert, dan krijg je het best mogelijke resultaat."

Voordat hij Rogers ontmoette, Jayaraman testte nieuwe revalidatietechnologieën - zoals een robotbeen dat de bedoeling van de gebruiker begrijpt en buigt en beweegt als een echt been - en volgde de reacties van patiënten met commerciële sensoren. Maar de sensoren zijn geoptimaliseerd voor gezonde mensen, dus wanneer een patiënt met een beperkte gang of een tremor van Parkinson ze gebruikte, de sensoren konden de verschillende bewegingen niet verklaren, en de resulterende gegevens waren onjuist.

De innovatieve sensoren van Rogers maakten het mogelijk om gedrag op nieuwe locaties op het lichaam te detecteren, zoals de keel, maar Jayaraman vroeg zich ook af of Rogers een reeks sensoren kon leveren om een ​​volledig beeld te geven van het herstel van een patiënt met een beroerte.

Met feedback van Jayaraman, Rogers breidde het platform uit met bewegingskinematica voor het hele lichaam. Deze nieuwe reeks sensoren kan op meerdere locaties op het lichaam worden geplaatst om de hartfunctie te meten, slaap kwaliteit, lichamelijke activiteit en spiercontracties. Jayaraman zou ook Rogers' zweetlapje kunnen inzetten, die zweetverlies monitort en zweetchemie analyseert. Dit blijkt vooral nuttig bij patiënten met een beroerte, wiens zweetsnelheid kan variëren van de linker- naar de rechterkant van hun lichaam.

Het team van Jayaraman ontwikkelt nu algoritmen om gegevens van de sensoren te vertalen en creëert een dashboardinterface voor artsen en therapeuten om te zien hoe de gegevens van patiënten zich verhouden tot die van gezonde mensen. Ondertussen, zijn patiënten proberen de sensoren thuis uit.

"Ze vinden het niet erg om ze te dragen, " zegt hij. "Als patiënten eenmaal zijn ontslagen, we willen dat ze een niveau bereiken waarop ze hun leven weer kunnen oppakken, terug aan het werk. Nu hebben we de mogelijkheid om ze te volgen om ervoor te zorgen dat hun revalidatie op de goede weg is."

Toekomst van langdurige zorg

Werken met arts-wetenschappers in het Shirley Ryan AbilityLab is de sleutel geweest om ontwerpen zo nuttig mogelijk te maken, zegt Rogers. "Co-locatie en nauw verbonden zijn, maakt een enorm verschil."

Hij hoopt de sensoren te blijven verbeteren terwijl hij op zoek is naar meer mogelijke toepassingen.

"Uiteindelijk zouden we ons onderzoek met het Shirley Ryan AbilityLab willen zien als een opstap naar een bredere inzet, " zegt Rogers. "We willen dat de technologie wijdverbreid is, positieve maatschappelijke impact."

Bijvoorbeeld, hij legt contact met spraakpathologen van de Northwestern Medicine om de keelpatch te testen met hun patiënten en werkt aan een haptische interface die mensen eraan herinnert om te slikken, het verplaatsen van de pleister voorbij diagnostiek en in therapie.

Jayaraman, In de tussentijd, ziet Rogers' sensoren als de sleutel tot de toekomst van de langdurige zorg, speciaal voor ouderen, die zouden kunnen profiteren van onopvallende monitoring op afstand, waardoor ze in hun eigen huis kunnen blijven wonen. Dit kan een grote markt zijn, gezien het aantal Amerikanen van 65 jaar en ouder zal naar verwachting verdubbelen tot meer dan 98 miljoen in 2060.

"De hele wereld veroudert, ', zegt Jayaraman. 'Als we de ouderen thuis kunnen volgen, het zou een nieuw zorgmodel kunnen creëren.