Våra kroppar är berättare. Varje hjärtslag, gemensam knark och elektrisk signal från en neuron berättar om vad som går rätt - och fel - inom det stora, komplext system som ger oss liv.

Medan vi nu har den bärbara tekniken för att översätta några av dessa historier - tänk Fitbits eller hälsospårare på våra smartphones - för bioelektronikpionjären John A. Rogers, Ph.D., och hans kollegor, dessa enheter repar bara ytan på det vi kan urskilja från kroppen i realtid.

Rogers, som gick med i Northwestern 2016, utvecklar elektroniska enheter som kan böjas, sträcka, vrida och integrera i människokroppen för att både diagnostisera och behandla sjukdomar. Som Louis Simpson och Kimberly Querrey professor i materialvetenskap och teknik, Biomedicinsk teknik och neurologisk kirurgi, Rogers bedriver arbete som sträcker sig över olika discipliner för att översätta innovativ forskning till verkliga medicinska genombrott.

Nyligen, Rogers blev intresserad av att utveckla en bärbar lapp som kunde spela in akustik i kroppen, såsom ljud i en led eller vibrationer från tal. "Vi frågade oss själva om det skulle vara möjligt att bygga en mjuk, trådlös, hudgränssnittsenhet med formfaktorn för ett plåster och funktionerna hos ett stetoskop för att kontinuerligt och exakt mäta kroppens subtila mekaniska och akustiska signaturer, " han säger.

Inom en kort tid, och genom galvanisering av nordvästra anslutningar, vad Rogers kallade en "undersökande övning i materialvetenskap och tillämpad fysik" blev till ett verkligt diagnostiskt och behandlingsverktyg för att mäta en rehabiliterande strokepatients tal- och sväljmönster. Resultatet, den första bärbara enheten utformad för halsen, är en "mycket mer personlig, kvantitativ strategi för rehabilitering, Säger Rogers.

Plåstret är bara början. Tillsammans med Arun Jayaraman, Ph.D., docent i fysikalisk medicin och rehabilitering och hans laboratorium i Shirley Ryan AbilityLab, Rogers har utvecklat sensorer som används över hela kroppen för att ge en övergripande bild av patientens återhämtning.

Spåra tal, med komfort

Halssensorn är bara en i en portfölj av innovationer som utvecklats i Northwestern Center for Bio-Integrated Electronics. Där, Rogers och hans medarbetare har utvecklat material och designmetoder som omvandlar elektronik från traditionella styva kiselkretsar till mjuka, överensstämmande, tunna enheter som integreras med kroppen samtidigt som de sänder realtidsinformation trådlöst till både läkare och maskininlärningsalgoritmer som kan hitta nya mönster inom data.

Rogers har också utvecklat enheter som kan bäras på kroppen för att mäta svettfrekvens och kemi eller för att kvantifiera exponering för solens UV -strålning, samt apparater som kan implanteras i kroppen för att få energi från organ och automatiskt behandla onormala hjärtsjukdomar.

Ibland utvecklas en enhet för ett ändamål, bara för utredare att finna att den har en andra kapacitet. Rogers grupp utvecklade ursprungligen den akustiska lappen med tanken att den kan vara användbar för ett nytt slags gränssnitt mellan människa och dator, men de svängde efter att ha kontaktats av Leora Cherney, Ph.D., professor i fysikalisk medicin och rehabilitering och forskare vid Shirley Ryan AbilityLab. Hon behandlar patienter med afasi, förlust av förmågan att tala eller förstå tal efter en stroke.

Hon frågade om Rogers halsfläck kanske kan mäta patienternas totala taletid och talets kadens, ge terapeuter ett bättre sätt att spåra patienters rehabilitering.

Det kunde, Sa Rogers. "Plåstret kan spåra tal- och talmönster på ett sätt som är helt immun mot omgivande buller, "säger han. Teamet insåg snabbt att enheten också kunde mäta sväljning. Dysfagi - svårigheter att svälja - är en annan potentiellt svår handling som påverkar strokepatienters livskvalitet.

"När vi förstod att det var viktigt att mäta tal och svälja, vi kan gå tillbaka och skräddarsy enheterna specifikt för att mäta dessa processer, "säger han. Projektet innebar att designa en flexibel patch med ett batteri, radio och akustisk sensor som kan fastna i den mjuka delen av halsen och, kanske viktigast av allt, vara bekväm för användaren.

"Plåstret måste konstrueras så att folk glömmer att det är där när de sätter på det, "Rogers säger." Vi strävar efter teknik och material för att göra det helt hudliknande och fysiskt omärkligt. "

När plåstret optimerades för patienter med afasi och dysfagi, Rogers grupp ville utöka sin plattform med en annan Shirley Ryan AbilityLab -utredare - en som, som Rogers, har ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för att lösa problem.

Helkroppsbild av återhämtning

Arun Jayaramans utrymme i Shirley Ryan AbilityLab är bilden av translationell medicin. Max Näder Lab för rehabiliteringsteknologi och resultatforskning rymmer inte bara dussintals fysioterapeuter, ingenjörer, datavetare, läkare och socialpsykologer, det har också maskinaffärer för att bygga ny teknik och utrymme för patienter att testa dem.

Gruppen utvecklar och optimerar nästa generations teknik för personer med funktionsnedsättning. Vid stroke, "Tidiga insatser är avgörande för långsiktig återhämtning, säger Jayaraman, som också är professor i medicinska samhällsvetenskap och fysioterapi och rörelsevetenskap. Hans team arbetar med mer än 30 projekt åt gången, inklusive proteser, robotik och adaptiv teknik.

"Med varje fråga vill du ha ett tvärvetenskapligt förhållningssätt, "säger han." Varje disciplin har en tankeprocess om vad som kan fungera. När du kombinerar dem, det är då du får bästa möjliga resultat. "

Innan han träffade Rogers, Jayaraman testade ny rehabiliterande teknik - som ett robotben som förstår användarens avsikt och sedan böjer och rör sig som ett riktigt ben - och spårade patienternas svar med kommersiella sensorer. Men sensorerna var optimerade för friska människor, så när en patient med begränsad gång eller Parkinsons tremor använde dem, sensorerna kunde inte redogöra för de olika rörelserna, och de resulterande uppgifterna var felaktiga.

Rogers innovativa sensorer gjorde det möjligt att upptäcka beteenden på nya platser på kroppen, som halsen, men Jayaraman undrade också om Rogers kunde tillhandahålla en serie sensorer för att ge en helhetsbild av en strokepatients återhämtning.

Med feedback från Jayaraman, Rogers utökade plattformen till att omfatta rörelse kinematik i hela kroppen. Denna nya serie sensorer kan placeras på flera platser på kroppen för att mäta hjärtfunktionen, sömnkvalitet, fysisk aktivitet och muskelsammandragningar. Jayaraman kan också distribuera Rogers svettplåster, som övervakar svettförlust och analyserar svettkemi. Detta visar sig särskilt användbart för strokepatienter, vars svettfrekvens kan variera från vänster till höger om kroppen.

Jayaramans team utvecklar nu algoritmer för att översätta data från sensorerna och skapar ett instrumentpanelsgränssnitt för läkare och terapeuter för att se hur patienternas data kan jämföras med friska människors. Sålänge, hans patienter provar sensorerna hemma.

"De har inget emot att bära dem, "säger han." När patienterna har skrivits ut, vi vill att de ska nå en nivå där de kan komma tillbaka till sina liv, tillbaka till arbetet. Nu har vi möjlighet att övervaka dem för att se till att deras rehabilitering är på rätt väg. "

Framtid för långtidsvård

Att arbeta med läkare-forskare på Shirley Ryan AbilityLab har varit nyckeln till att göra mönster så användbara som möjligt, Säger Rogers. "Att vara samlokaliserad och tätt kopplad gör en enorm skillnad."

Han hoppas kunna fortsätta förbättra sensorerna samtidigt som han letar efter fler potentiella användningsområden.

"I slutändan skulle vi vilja tänka på vår forskning med Shirley Ryan AbilityLab som en springbräda till en bredare distribution, "Säger Rogers." Vi vill att tekniken ska ha stor spridning, positiv samhällspåverkan. "

Till exempel, han ansluter sig till Northwestern Medicine talpatologer för att testa halsfläcken med sina patienter och arbetar med ett haptiskt gränssnitt som påminner människor om att svälja, flytta plåstret bortom diagnostik och in i terapi.

Jayaraman, under tiden, ser Rogers sensorer som nyckeln till framtiden för långtidsvård, särskilt för äldre, som kan dra nytta av diskret fjärrövervakning som kan göra det möjligt för dem att fortsätta bo i sina egna hem. Detta kan vara en stor marknad, med tanke på antalet amerikaner i åldrarna 65 och över beräknas fördubblas till mer än 98 miljoner år 2060.

"Hela världen åldras, "Säger Jayaraman." Om vi ​​kan övervaka äldre hemma, det kan skapa en ny vårdmodell.