Nossos corpos são contadores de histórias. Cada batimento cardíaco, o rangido articular e o sinal elétrico de um neurônio contam uma história do que está dando certo - e errado - dentro do vasto, sistema complexo que nos dá vida.

Embora agora tenhamos a tecnologia vestível para traduzir algumas dessas histórias - pense em Fitbits ou rastreadores de saúde em nossos smartphones - para o pioneiro da bioeletrônica John A. Rogers, Ph.D., e seus colegas, esses dispositivos apenas arranham a superfície do que podemos discernir do corpo em tempo real.

Rogers, que ingressou na Northwestern em 2016, desenvolve dispositivos eletrônicos que podem dobrar, esticam, torça e integre dentro do corpo humano para diagnosticar e tratar doenças. Como Louis Simpson e Kimberly Querrey Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Engenharia Biomédica e Cirurgia Neurológica, Rogers realiza trabalhos que cruzam disciplinas para traduzir pesquisas inovadoras em verdadeiras descobertas médicas.

Recentemente, Rogers se interessou em desenvolver um patch que pudesse ser usado para gravar a acústica do corpo, como sons dentro de uma articulação ou vibrações da fala. “Nós nos perguntamos se seria possível construir um soft, sem fio, dispositivo de interface com a pele com o formato de um band-aid e as funções de um estetoscópio para medir de forma contínua e precisa as sutis assinaturas mecânicas e acústicas do corpo, " ele diz.

Dentro de um curto período de tempo, e através da galvanização das conexões da Northwestern, o que Rogers chamou de "exercício exploratório em ciência dos materiais e física aplicada" se transformou em uma ferramenta real de diagnóstico e tratamento para medir os padrões de fala e deglutição de um paciente com derrame em reabilitação. O resultado, o primeiro dispositivo vestível projetado para a garganta, é um "muito mais personalizado, abordagem quantitativa para reabilitação, "Rogers diz.

O patch é apenas o começo. Junto com Arun Jayaraman, Ph.D., professor associado de Medicina Física e Reabilitação e seu laboratório no Shirley Ryan AbilityLab, Rogers desenvolveu sensores que são implantados em todo o corpo para dar uma visão abrangente da recuperação do paciente.

Rastreamento de fala, com conforto

O sensor de garganta é apenas um em um portfólio de inovações desenvolvidas no Centro de Eletrônica Biointegrada da Northwestern. Lá, Rogers e seus colaboradores desenvolveram materiais e abordagens de design que transformam a eletrônica dos tradicionais circuitos rígidos de silício em macios, conformando, dispositivos finos que se integram ao corpo enquanto transmitem informações em tempo real sem fio para médicos e algoritmos de aprendizado de máquina que podem encontrar novos padrões nos dados.

Rogers também desenvolveu dispositivos que podem ser usados ​​no corpo para medir a taxa de suor e a química ou para quantificar a exposição à radiação UV solar, bem como dispositivos que podem ser implantados no corpo para coletar energia dos órgãos e tratar automaticamente doenças cardíacas anormais.

Às vezes, um dispositivo é desenvolvido para uma finalidade, apenas para os investigadores descobrirem que tem uma segunda capacidade. O grupo de Rogers desenvolveu originalmente o patch acústico com a ideia de que poderia ser útil para um novo tipo de interface homem-computador, mas eles giraram após serem abordados por Leora Cherney, Ph.D., professor de Medicina Física e Reabilitação e cientista pesquisador do Shirley Ryan AbilityLab. Ela trata pacientes com afasia, a perda da capacidade de falar ou compreender a fala após um derrame.

Ela perguntou se talvez o tapa-pescoço de Rogers pudesse medir o tempo total de conversa dos pacientes e a cadência de sua fala, dando aos terapeutas uma maneira melhor de monitorar a reabilitação dos pacientes.

Poderia, Rogers disse. "O patch pode rastrear a fala e os padrões da fala de uma forma completamente imune ao ruído ambiente, ", diz ele. A equipe percebeu rapidamente que o dispositivo também podia medir a deglutição. A disfagia - dificuldade para engolir - é outro ato potencialmente difícil que afeta a qualidade de vida dos pacientes com AVC.

"Uma vez que entendemos que medir a fala e engolir era importante, poderíamos voltar e adaptar os dispositivos especificamente para medir esses processos, ", diz ele. O projeto envolveu a concepção de um patch flexível com uma bateria, sensor de rádio e acústico que pode grudar na parte mole da garganta e, talvez o mais importante, seja confortável para o usuário.

"O patch teve que ser construído para que as pessoas se esquecessem de que estava lá depois de colocá-lo, "Rogers diz." Nós nos esforçamos no lado da engenharia e dos materiais para torná-lo totalmente semelhante a uma pele e fisicamente imperceptível. "

Uma vez que o patch foi otimizado para pacientes com afasia e disfagia, O grupo de Rogers procurou expandir sua plataforma com outro investigador do Shirley Ryan AbilityLab - aquele que, como Rogers, adota uma abordagem multidisciplinar para resolver problemas.

Imagem de corpo inteiro de recuperação

O espaço de Arun Jayaraman no Shirley Ryan AbilityLab é a imagem da medicina translacional. O Laboratório Max Näder para Tecnologias de Reabilitação e Pesquisa de Resultados não abriga apenas dezenas de fisioterapeutas, engenheiros, Cientistas da computação, médicos e psicólogos sociais, também possui oficinas de máquinas para a construção de novas tecnologias e espaço para os pacientes testá-las.

O grupo desenvolve e otimiza tecnologias de última geração para pessoas com deficiência. No caso de acidente vascular cerebral, "intervenções precoces são críticas para a recuperação a longo prazo, "diz Jayaraman, que também é professor de Ciências Sociais Médicas e de Fisioterapia e Ciências do Movimento Humano. Sua equipe trabalha em mais de 30 projetos ao mesmo tempo, incluindo próteses, robótica e tecnologias adaptativas.

"Com cada pergunta que você deseja ter uma abordagem multidisciplinar, "ele diz." Cada disciplina tem um processo de pensamento sobre o que pode funcionar. Quando você os combina, é quando você obtém o melhor resultado possível. "

Antes de conhecer Rogers, Jayaraman testou novas tecnologias de reabilitação - como uma perna robótica que entende a intenção do usuário e depois se dobra e se move como uma perna real - e rastreou as respostas dos pacientes com sensores comerciais. Mas os sensores foram otimizados para pessoas saudáveis, então, quando um paciente com marcha restrita ou tremor de Parkinson os usou, os sensores não podiam explicar os diferentes movimentos, e os dados resultantes estavam incorretos.

Os sensores inovadores de Rogers tornaram possível detectar comportamentos em novos locais do corpo, como a garganta, mas Jayaraman também se perguntou se Rogers poderia fornecer um conjunto de sensores para dar uma imagem de corpo inteiro da recuperação de um paciente com derrame.

Com o feedback de Jayaraman, Rogers expandiu a plataforma para incluir cinemática de movimento de corpo inteiro. Este novo conjunto de sensores pode ser colocado em vários locais do corpo para medir a função cardíaca, qualidade do sono, atividade física e contrações musculares. Jayaraman também pode implantar o patch de suor de Rogers, que monitora a perda de suor e analisa a química do suor. Isso é especialmente útil em pacientes com AVC, cuja taxa de suor pode variar da esquerda para a direita de seus corpos.

A equipe de Jayaraman agora está desenvolvendo algoritmos para traduzir dados dos sensores e está criando uma interface de painel para médicos e terapeutas para ver como os dados dos pacientes se comparam aos de pessoas saudáveis. Enquanto isso, seus pacientes estão testando os sensores em casa.

"Eles não se importam de usá-los, "ele diz." Assim que os pacientes recebem alta, queremos que eles cheguem a um nível em que possam voltar para suas vidas, de volta ao trabalho. Agora podemos monitorá-los para garantir que a sua reabilitação está no caminho certo. "

Futuro do cuidado de longo prazo

Trabalhar com cientistas-médicos no Shirley Ryan AbilityLab foi fundamental para tornar os projetos o mais úteis possível, Rogers diz. "Estar co-localizado e fortemente acoplado faz uma enorme diferença."

Ele espera continuar melhorando os sensores enquanto procura mais usos potenciais.

"Em última análise, gostaríamos de pensar em nossa pesquisa com o Shirley Ryan AbilityLab como um trampolim para uma implantação mais ampla, "Rogers diz." Queremos que a tecnologia seja amplamente difundida, impacto social positivo. "

Por exemplo, ele está se conectando com fonoaudiólogos da Northwestern Medicine para testar o adesivo de garganta com seus pacientes e trabalhar em uma interface háptica que lembra as pessoas de engolir, movendo o patch além do diagnóstico e na terapia.

Jayaraman, Enquanto isso, imagina os sensores de Rogers como a chave para o futuro do cuidado de longo prazo, especialmente para os idosos, que poderiam se beneficiar de monitoramento remoto discreto que lhes permitiria continuar morando em suas próprias casas. Este pode ser um grande mercado, considerando que o número de americanos com 65 anos ou mais deve dobrar para mais de 98 milhões até 2060.

"O mundo inteiro está envelhecendo, "Jayaraman diz." Se pudermos monitorar os idosos em casa, poderia criar um novo modelo de atenção.