Ultradünn z.B

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die häufigste Todesursache. Eine kontinuierliche Herzüberwachung könnte eine frühere Erkennung von Herzerkrankungen ermöglichen und so eine rechtzeitige Intervention ermöglichen, um schwerwiegende Herzkomplikationen zu verhindern. Herkömmliche Überwachungsgeräte sind jedoch für den klinischen Einsatz konzipiert und für Langzeitmessungen an Menschen unterwegs zu schwer und stromhungrig.

Ein Team unter der Leitung der University of Texas in Austin möchte dieses Problem mit der Entwicklung eines ultradünnen (200 µm) und leichten (2,5 g) Geräts lösen, das eine kontinuierliche Herzüberwachung außerhalb der Klinik ermöglicht. Das dehnbare elektronische Tattoo oder E-Tattoo wird über einen medizinischen Verband auf der Brust befestigt. Es zeichnet sich durch einen äußerst geringen Stromverbrauch (weniger als 3 mW) aus, wird mit einem kleinen Akku mit einer Lebensdauer von mehr als 40 Stunden betrieben und überträgt Echtzeitdaten drahtlos an ein Host-Gerät wie ein Mobiltelefon.

„Die meisten Herzerkrankungen sind nicht sehr offensichtlich. Der Schaden entsteht im Hintergrund und wir wissen es nicht einmal“, erklärt Hauptautorin Nanshu Lu in einer Pressemitteilung. „Wenn wir eine kontinuierliche, mobile Überwachung zu Hause haben, können wir eine frühzeitige Diagnose und Behandlung durchführen, und wenn das gelingt, können 80 % der Herzerkrankungen verhindert werden.“

Das E-Tattoo misst zwei wichtige Herzsignale: die elektrische Aktivität des Herzens mittels Elektrokardiographie (EKG); und mechanischer Herzrhythmus (feine Vibrationen, die durch Herzkontraktion und Blutbewegung verursacht werden) mittels Seismokardiographie (SCG). Der EKG-Sensor ist über biokompatible Graphitfilmelektroden mit dem Körper verbunden, während das SCG von einem hochauflösenden, rauscharmen Beschleunigungsmesser aufgezeichnet wird.

Die Synchronisierung zwischen den EKG- und SCG-Signalen ermöglicht die Messung wichtiger Herzzeitintervalle – der Präejektionsperiode (PEP) und der linksventrikulären Ejektionszeit (LVET) – mit hoher Genauigkeit. Solche Zeitintervalle sind wichtige Indikatoren für viele Herz-Kreislauf-Erkrankungen, können jedoch derzeit nur auf invasivem Wege gemessen werden.

„Diese beiden Messungen, elektrische und mechanische, können zusammen ein viel umfassenderes und vollständigeres Bild davon liefern, was mit dem Herzen passiert“, sagt Lu. „Es gibt noch viele weitere Herzmerkmale, die auf nicht-invasive Weise aus den beiden synchron gemessenen Signalen extrahiert werden könnten.“

Ein für längeres Tragen konzipiertes E-Tattoo muss bequem sein, sich den Konturen der Brust anpassen und sich bei Bewegungen des Benutzers mit der Haut dehnen. Um dies zu erreichen, verwendete das Team schlangenförmige Verbindungen zwischen den Sensoren und elektronischen Schaltkreisen. Sie fanden heraus, dass sich das E-Tattoo um bis zu 20 % dehnen lässt, ohne dass es zu Schäden oder einer Verschlechterung der Signalqualität kommt.

Um die Qualität der erfassten Signale zu validieren, verglichen die Forscher die Daten der Sensoren des E-Tattoos mit klinischen Goldstandardgeräten und stellten fest, dass beide Geräte gleichwertige Signale und Daten erfassten. Als nächstes testeten sie das E-Tattoo an fünf gesunden Freiwilligen, die das E-Tattoo trugen, während sie statische Posen einnahmen und unter zunehmender Belastung mit Pausen Rad fuhren. Zum Vergleich trugen die Teilnehmer auch einen nicht-invasiven Herzzeitvolumenmonitor (NICOM).

Während der statischen Posen stimmten die vom E-Tattoo und dem NICOM gemessenen Herzfrequenzen bei allen Teilnehmern gut überein, mit einem Unterschied von 0,07 ± 1,21 Schlägen pro Minute (bpm). Als die Teilnehmer vom Liegen zum aufrechten Sitzen und dann zum Stehen übergingen, verzeichnete das E-Tattoo erwartungsgemäß einen erhöhten PEP und einen verringerten LVET. Dies zeigt die Fähigkeit des Geräts, kleine Veränderungen in Herzzeitintervallen zu messen, die durch Haltungsschwankungen verursacht werden.

Das Graphen-Tattoo ermöglicht eine manschettenlose Blutdrucküberwachung

Im Fahrradexperiment waren die Herzfrequenzmessungen des E-Tattoos und des NICOM erneut stark korreliert, mit einem Unterschied von 0,02 ± 1,24 Schlägen pro Minute. Das EKG-Signal blieb während des Radfahrens unverändert, das SCG-Signal wurde jedoch durch Bewegungsartefakte verfälscht. Daher untersuchten die Forscher die Ruhezeiten zwischen den einzelnen Fahrradsegmenten, während derer der mittlere Unterschied im LVET zwischen dem E-Tattoo und dem NICOM –0,44 ± 8,74 ms betrug. Dieser lineare Zusammenhang zeigt, dass das E-Tattoo eine sinnvolle Alternative zu sperrigen und teuren klinischen Monitoren darstellen kann.

Abschließend führte das Team einen Langzeittest zur Tragbarkeit mit einem einzelnen Probanden durch, der das E-Tattoo mehr als 24 Stunden lang trug, um seinen Nutzen im Alltag zu demonstrieren. Das E-Tattoo zeigte bei der Herzfrequenzmessung eine gute Korrelation mit einer Verbraucher-Smartwatch. Die manuelle Untersuchung der Langzeitdaten ergab, dass die EKG- und SCG-Daten in Ruhephasen (z. B. beim Arbeiten am Computer, beim Pausieren beim Gehen oder beim Schlafen) größtenteils frei von Bewegungsartefakten waren und sich für die Extraktion kardialer Zeitintervalle eigneten.

Die Forscher beschreiben das E-Tattoo in Advanced Electronic Materials.