Ett tvärvetenskapligt team från Northwestern University har utvecklat ett par mjuka, flexibla trådlösa sensorer som ersätter härvan av trådbaserade sensorer som för närvarande övervakar spädbarn på sjukhusens neonatala intensivvårdsavdelningar (NICU) och utgör en barriär för kel mellan föräldrar och barn och fysisk bindning.

Teamet avslutade nyligen en serie första mänskliga studier på för tidigt födda barn vid Prentice Women's Hospital och Ann &Robert H. Lurie Children's Hospital i Chicago. Forskarna drog slutsatsen att de trådlösa sensorerna gav data lika exakta och exakta som de från traditionella övervakningssystem. De trådlösa plåstren är också skonsammare mot en nyfödds ömtåliga hud och möjliggör mer hud-mot-hud-kontakt med föräldern. Befintliga sensorer måste fästas med lim som kan göra ärr och blåsor för prematura nyföddas hud.

Studien, involverar materialvetare, ingenjörer, hudläkare och barnläkare publiceras den 1 mars i tidskriften Vetenskap .

Studien inkluderar initiala data från mer än 20 spädbarn som bar de trådlösa sensorerna tillsammans med traditionella övervakningssystem, så att forskare från Northwestern kunde göra en sida vid sida, kvantitativ jämförelse. Sedan dess, teamet har genomfört framgångsrika tester med mer än 70 spädbarn på NICU.

"Vi ville eliminera råttans bo av ledningar och aggressiva lim associerade med befintliga hårdvarusystem och ersätta dem med något säkrare, mer patientcentrerad och mer kompatibel med förälder-barn-interaktion, sade John A. Rogers, en pionjär inom bioelektronik, som ledde teknikutvecklingen. "Vi kunde återskapa all funktionalitet som nuvarande trådbaserade sensorer ger med klinisk precision. Vår trådlösa, batterifri, hudliknande enheter ger inget upp när det gäller mätområde, noggrannhet och precision – och de ger till och med avancerade mätningar som är kliniskt viktiga men som inte samlas in ofta."

Rogers är Louis Simpson och Kimberly Querrey professor i materialvetenskap och teknik och biomedicinsk teknik vid McCormick School of Engineering och professor i neurologisk kirurgi vid Feinberg School of Medicine. Han ledde forskningen tillsammans med Dr. Amy Paller, chef för dermatologiavdelningen, Walter J. Hamlin professor i dermatologi och professor i pediatrik vid Feinberg, och Dr Shuai (Steve) Xu, en instruktör i dermatologi vid Feinberg och en hudläkare från Northwestern Medicine.

Klippning av sladdarna

Massan av ledningar som omger nyfödda i NICU är ofta större än bebisarna själva. Vanligtvis, fem eller sex kablar ansluter elektroder på varje baby till monitorer för andning, blodtryck, blodsyre, hjärtslag och mer. Även om dessa kablar garanterar hälsa och säkerhet, de begränsar barnets rörelser och utgör ett stort hinder för fysisk bindning under en kritisk period av utveckling.

"Vi vet att hud-mot-hud-kontakt är så viktig för nyfödda - särskilt de som är sjuka eller för tidigt födda, sa Paller, en pediatrisk hudläkare på Lurie Children's. "Det har visat sig minska risken för lungkomplikationer, leverproblem och infektioner. Än, när du har sladdar överallt och bebisen är bunden till en säng, det är verkligen svårt att få hud-mot-hud-kontakt."

Nybliven mamma frustrerad över oförmåga att hålla sin nyfödda

Nyblivna mamman Taschana Taylor är bekant med den frustrationen. Efter ett akut kejsarsnitt, Taylors dotter Grace fördes till NICU, där hon stannade i tre veckor. Desperat att knyta an till sin nya bebis, Taylor och hennes man kände sig utmattade när de navigerade i kablarna för att ge Grace den mest grundläggande vård. Grace är bland de 70 bebisar som hittills har deltagit i jämförelsestudien sida vid sida.

"Försöker mata henne, ändra henne, linda henne, hålla henne och flytta runt med henne med sladdarna var svårt, " sa Taylor. "Om hon inte hade sladdar på sig, vi kunde gå en promenad runt i rummet tillsammans. Det skulle ha gjort hela upplevelsen roligare."

Stressigt och svårt att ta barnet ur spjälsängen

"Virken som föräldrar och sjuksköterskor måste gå igenom bara för att ta barnet ur spjälsängen är häpnadsväckande, " sa medförfattaren Dr Aaron Hamvas, Raymond och Hazel Speck Berry professor i neonatologi vid Feinberg och avdelningschef för neonatologi vid Lurie Children's.

"Kablar går upp till monitorn, ner till barnet, kanske går igenom hål i en inkubator, " sa Hamvas. "Sköterskor och föräldrar försöker få alla bebisar i bunt, så att de inte av misstag drar något av dem eller ut ur väggen. Det är väldigt, väldigt krångligt och stressigt. Om barnet var helt obehindrat, det skulle vara oerhört effektivare och mindre benäget för problem."

"Alla som har upplevt att gå in på en intensivvårdsavdelning märker omedelbart hur små bebisarna är, och hur många ledningar och elektroder är anslutna till dem, " sa medförfattaren Dr. Debra Weese-Mayer, Beatrice Cummings Mayer professor i pediatrisk autonom medicin vid Feinberg och chef för pediatrisk autonom medicin vid Lurie Children's. "Möjligheten att gå trådlöst har en enorm potential för att minska bördan för sjuksköterskorna, för bebisarna och för föräldrarna."

Går bortom nuvarande möjligheter

Fördelarna med Northwestern-teamets nya teknik sträcker sig bortom bristen på kablar – och mäter mer än vad som är möjligt med dagens kliniska standarder.

De dubbla trådlösa sensorerna övervakar spädbarns vitala tecken—puls, andningshastighet och kroppstemperatur - från motsatta sidor av kroppen. En sensor ligger över barnets bröst eller rygg, medan den andra sensorn sveper runt en fot. (Bröstsensorn mäter 5 centimeter gånger 2,5 centimeter; fotsensorn är 2,5 centimeter gånger 2 centimeter. Varje sensor väger ungefär lika mycket som en regndroppe.) Denna strategi gör det möjligt för läkare att samla in ett spädbarns kärntemperatur såväl som kroppstemperatur från en perifer enhet. område.

"Skillnader i temperatur mellan foten och bröstkorgen har stor klinisk betydelse för att bestämma blodflödet och hjärtfunktionen, "Sa Rogers. "Det är något som inte är vanligt att göra idag."

Läkare kan också mäta blodtrycket genom att kontinuerligt följa när pulsen lämnar hjärtat och anländer till foten. För närvarande, det finns inget bra sätt att samla in en tillförlitlig blodtrycksmätning. En blodtrycksmanschett kan få blåmärken eller skada ett spädbarns ömtåliga hud. Det andra alternativet är att föra in en kateter i en artär, vilket är knepigt på grund av den lilla diametern på en för tidigt född nyfödds blodkärl. Det medför också en risk för infektion, koagulering och till och med död.

"Vi saknar en hel del information där det kan finnas variationer i blodtrycket under dagen, "Sade Hamvas. "Dessa variationer i blodtryck kan ha en betydande inverkan på resultaten."

Enheten kan också hjälpa till att fylla i informationsluckor som finns vid hud-mot-hud-kontakt. Om läkare kan fortsätta att mäta spädbarns vitala tecken medan de hålls av sina föräldrar, de kan lära sig mer om hur kritisk denna kontakt kan vara.

Transparent och kompatibel med bildbehandling, sensorerna kan också bäras under röntgenstrålar, MRI och datortomografi. "Trådar är inte bara ett fysiskt hinder för att interagera med barnet utan stör också bildbehandlingen om de lämnas på plats, Paller sa. "Tekniken har utvecklats så att du kan göra avbildning med sensorerna på plats och fortsätta att övervaka barnet."

Sparar "otroligt ömtålig" hud

Blodtrycksmanschetten är inte den enda potentiellt skadliga delen av nuvarande teknik. Många för tidigt födda barn drabbas av hudskador av den klibbiga tejpen som fäster ledningarna på kroppen. Tejp kan orsaka hudirritation, blåsor och, i sista hand, infektioner. I vissa fall, denna skada kan leda till livslånga ärrbildning.

"Prematura barns hud är inte fullt utvecklad, så det är otroligt ömtåligt, " sa Paller. "Faktiskt, tjockleken på huden hos för tidigt födda barn är cirka 40 procent reducerad. Ju mer för tidigt du blir, desto ömtåligare blir huden. Det betyder att vi måste vara väldigt försiktiga."

Northwestern-teamet har hittills studerat 70 spädbarn på NICU och hittat inga tecken på hudskador från de trådlösa sensorerna. Sensorns hudbesparande hemlighet ligger i dess lätta natur, tunn geometri och mjuk mekanik. Den papperstunna enheten är gjord av biokompatibla, mjukt elastiskt silikon som bäddar in en samling små elektroniska komponenter kopplade med fjäderliknande ledningar som rör sig och böjer sig med kroppen.

Rogers arbetade med en mångårig medarbetare och expert på töjbar elektronik och teoretisk mekanik Yonggang Huang för att komma fram till en optimal design. Huang är en Walter P. Murphy-professor i civil- och miljöteknik och maskinteknik och professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School.

"Om du ser tillbaka till 1960-talet, det grundläggande tillvägagångssättet för att övervaka spädbarn är i stort sett detsamma som det är idag, " sa Rogers. "Det är tejpade sensorer, ledningar till externa lådor av elektronik. Det är allt som någonsin har gjorts.

"Styrkan hos limmet som krävs för att hålla vår lätta enhet på huden är mycket lägre än för de typer av lim som behövs för att upprätthålla ett gränssnitt mellan en fast ansluten sensor och en extern låda, Rogers fortsatte. "Vi har inte sett några negativa biverkningar i vår studie, inte ens en antydan till hudskada inte ens hos de mest sköra bebisarna."

Den trådlösa sensorn kommunicerar via en sändare placerad under spjälsängens madrass. Använder radiofrekvenser med samma styrka som de i RFID-taggar, antennen sänder data till displayer på sjuksköterskans station. Även om det kan steriliseras och återanvändas, sensorn är tillräckligt billig (cirka $10) så att den helt enkelt kan kasseras efter 24 timmar och ersättas med en ny för att eliminera risken för infektion.

När kommer trådlösa sensorer att dyka upp på amerikanska sjukhus?

Rogers uppskattar att hans trådlösa sensorer kommer att dyka upp på amerikanska sjukhus inom de närmaste två till tre åren. Med stöd från två stora ideella organisationer, Rogers team förväntar sig att skicka sensorer till tiotusentals familjer i utvecklingsländer under nästa år som en del av en internationell insats.

"Vi är stolta över det faktum att den här tekniken inte bara är begränsad till avancerade NICUs i utvecklade länder, " Sa Xu. "Tekniken kan anpassas med minimal modifiering för låga resurser."