西北大学研究人员推出可持续监测生命体征的无线可穿戴听诊器

首款可穿戴设备捕捉身体声音持续监测健康状况
新设备在从早产儿到老人的一系列病人身上进行了测试

发布日期2023 年 11 月 16 日

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从心脏跳动到肚子咕咕叫，声音蕴含着重要的健康信息
新型无线设备贴在皮肤上持续捕捉声音，然后实时将数据流传输到智能手机或平板电脑
设备将体内的声音与体外的环境噪音分离
在试点研究中，设备准确追踪了与心肺功能、胃肠活动、吞咽和呼吸有关的声音
设备对早产儿尤其有价值，因为早产儿会出现呼吸暂停和胃肠道并发症，而这些症状都伴随着声音

伊利诺伊州伊万斯顿--即使是在最常规的就诊过程中，医生也会倾听病人体内的声音--肺部的空气进出声、心脏跳动声，甚至消化后的食物在漫长的胃肠道中流动的声音。这些声音提供了有关人体健康的宝贵信息。当这些声音发生微妙变化或完全停止时，可能预示着严重的问题，需要及时采取干预措施。

现在，美国西北大学的研究人员推出了新的微型软性可穿戴设备，其功能远远超出了医生偶尔检查时获得的偶发性测量结果。这些设备柔软地贴在皮肤上，可在身体几乎任何部位的多个位置以无线方式同时持续跟踪这些细微的声音。

这项新研究发表在今天（11月16日）出版的《自然医学》杂志上。

在试点研究中，研究人员对 15 名患有呼吸道和肠道运动障碍的早产儿和 55 名成年人（包括 20 名慢性肺病患者）进行了设备测试。这些设备不仅具有临床级的准确性，还提供了尚未开发或引入研究或临床护理的新功能。

"西北大学的约翰-罗杰斯（John A. Rogers）是生物电子学的先驱，他领导了该设备的开发。"医生必须将传统听诊器或数字听诊器放在胸部和背部的不同部位，逐点聆听肺部的声音。在与临床团队的密切合作下，我们着手开发一种新策略，用于持续实时监测患者，而不会受到刚性、有线、笨重技术的束缚。"

西北医学中心胸外科医生安基特-巴拉特（Ankit Bharat）博士说："这些设备背后的理念是对患者的健康状况进行高度准确、连续的评估，然后在诊所或患者入院或使用呼吸机时做出临床决策，"他领导了对成人受试者的临床研究。"该设备的一个关键优势是能够同时聆听和比较肺部的不同区域。简单地说，这就像多达 13 位训练有素的医生同时用听诊器聆听肺部不同区域的声音，他们的思维同步，对肺部健康状况进行连续、动态的评估，并将评估结果转化为现实生活中电脑屏幕上的影片。"

罗杰斯是西北大学麦考密克工程学院和西北大学范伯格医学院材料科学与工程、生物医学工程和神经外科的路易斯-辛普森和金伯利-奎雷教授。他还是奎雷-辛普森生物电子学研究所（Querrey Simpson Institute for Bioelectronics）的负责人。巴拉特是费恩伯格医学院胸外科主任和哈罗德-L.和玛格丽特-N.方法外科教授。作为西北医学坎宁胸部研究所（Northwestern Medicine Canning Thoracic Institute）主任，巴拉特在美国首次为 COVID-19 患者进行了双肺移植手术，并为某些肺癌 4 期患者启动了一项首创的肺移植项目。

全面、无创的传感网络

这些小巧轻便的设备包含一对高性能数字麦克风和加速度计，能轻柔地贴在皮肤上，形成一个全面的非侵入式传感网络。通过同时捕捉声音并将这些声音与身体过程相关联，这些设备可以绘制出空气如何流入、流经和流出肺部的空间图，以及心律在不同静息和活动状态下的变化情况，以及食物、气体和液体如何在肠道中流动。

每个装置由柔软的硅胶封装，长 40 毫米、宽 20 毫米、厚 8 毫米。在这个小巧的装置中，包含一个闪存驱动器、微型电池、电子元件、蓝牙功能和两个微型麦克风--一个朝内，朝向身体；另一个朝外，朝向外部。通过捕捉两个方向的声音，算法可以将外部（环境或邻近器官）声音和身体内部声音分离开来。

"肺部产生的声音不足以让正常人听到，"巴拉特说。"它们的声音不够大，而医院又是一个嘈杂的地方。当附近有人说话或机器发出哔哔声时，听起来会非常困难。我们技术的一个重要方面就是可以纠正这些环境噪音。

捕捉环境噪声不仅能消除噪声，还能提供病人周围环境的背景信息，这在治疗早产儿时尤为重要。

"蒙特利尔儿童医院新生儿科医生、论文共同第一作者 Wissam Shalish 博士说："无论设备位于何处，声音环境的连续记录都能提供婴儿所受噪音水平的客观数据。"它还提供了立即处理任何压力源或潜在有害听觉刺激的机会"。

非侵入式监测婴儿呼吸

在开发新设备时，研究人员考虑到了两个易受伤害的群体：新生儿重症监护室（NICU）中的早产儿和手术后的成年人。怀孕三个月后，婴儿的呼吸系统发育成熟，可以在子宫外呼吸。因此，在第三个孕期之前或最早阶段出生的婴儿更容易出现肺部问题和呼吸紊乱并发症。

呼吸暂停在早产儿中尤为常见，是导致婴儿住院时间延长甚至死亡的主要原因。发生呼吸暂停时，婴儿要么不呼吸（由于大脑中的呼吸中枢尚未发育成熟），要么气道阻塞，限制了气流。有些婴儿甚至可能同时出现这两种情况。然而，目前还没有在床边连续监测气流和准确区分呼吸暂停亚型的方法，尤其是在临床新生儿重症监护室中这些最脆弱的婴儿。

"这项研究的合著者、芝加哥 Ann & Robert H. Lurie 儿童医院自律神经医学科主任兼费恩伯格自律神经医学比阿特丽斯-卡明斯-梅耶教授 Debra E. Weese-Mayer 博士说："这些婴儿中的许多人比听诊器还小，因此对他们进行监测在技术上已经很有挑战性。"这些新型声学设备的优点在于它们可以在婴儿清醒和睡眠时对其进行无创持续监测，而不会打扰到他们。这些声学可穿戴设备可以安全、不显眼地确定每个婴儿的'特征'，这些'特征'与他们白天和黑夜的空气运动（进出气道和肺部）、心音和肠道蠕动有关，并关注昼夜节律。这些可穿戴设备还能同时监测可能影响内部声学'特征'和/或引入可能影响健康成长和发育的其他刺激的环境噪声"。

在加拿大蒙特利尔儿童医院进行的合作研究中，医护人员将声学设备佩戴在婴儿喉咙底部胸骨上切迹的正下方。设备成功地检测到了气流和胸部运动的存在，并能估算出气流阻塞的程度，可靠性很高，因此可以对所有呼吸暂停亚型进行识别和分类。

"Shalish 说："如果将设备放置在胸骨上切迹处，检测呼吸暂停并对其进行分类的能力就会增强，从而可以提供更有针对性和个性化的护理，改善治疗效果，缩短住院时间并降低费用。"如果在重症婴儿的左右胸腔各放置一个，每当一侧的进气量相对于另一侧减少时，传输的实时反馈信息就会及时提醒临床医生可能存在病变，需要立即采取干预措施。

跟踪婴儿消化情况

对于儿童和婴儿来说，心肺功能和胃肠道问题是导致其出生后五年内死亡的主要原因。胃肠道问题尤其会伴随肠鸣音减弱，这可以作为消化问题、肠道运动障碍和潜在梗阻的早期预警信号。因此，作为在新生儿重症监护室进行的试点研究的一部分，研究人员使用这种设备来监测这些声音。

在研究中，早产儿在腹部四个位置佩戴了传感器。早期结果与使用有线系统测量成人肠道蠕动的结果一致，后者是目前的护理标准。

"Shalish 说："当佩戴在腹部时，肠鸣音减弱的自动检测可提醒临床医生胃肠道并发症即将发生（有时危及生命）。"而肠鸣音的改善则可能预示着肠道恢复的迹象，尤其是在胃肠道手术之后。

"肠道运动有其自身的声学模式和音调特质，"Weese-Mayer 说。"一旦确定了患者的声音'特征'，偏离这种个性化特征的声音就有可能提醒患者和医疗团队注意即将出现的健康问题，同时还有时间进行干预以恢复健康。

除了提供连续监测外，这些设备还能让新生儿重症监护室的婴儿摆脱与床边监护仪相连的各种传感器、电线和电缆的束缚。

绘制单次呼吸图

在进行新生儿重症监护室研究的同时，研究人员还对成人患者进行了测试，其中包括 35 名患有慢性肺病的成人和 20 名健康对照组患者。在所有受试者身上，设备都能同时捕捉到不同位置的肺部声音分布和身体运动，使研究人员能够分析整个肺部不同区域的单次呼吸。

"巴拉特说："作为医生，我们往往不了解肺部某个特定区域的功能如何。"有了这些无线传感器，我们就可以捕捉肺部的不同区域，评估它们的具体表现以及每个区域相对于彼此的表现"。

据美国疾病控制和预防中心称，2020 年，心血管和呼吸系统疾病夺走了美国近 80 万人的生命，成为成年人的第一和第三大死因。研究人员希望他们的新设备能以帮助指导临床决策和改善疗效为目标，减少这些数字，从而挽救生命。

"肺会发出各种声音，包括噼啪声、喘息声、涟漪声和嚎叫声，"巴拉特说。"这是一个迷人的微环境。通过持续实时监测这些声音，我们可以确定肺部健康状况是好转还是恶化，并评估病人对特定药物或治疗的反应程度。然后，我们就可以根据患者的具体情况进行个性化治疗"。这项名为 "作为连续生理监测体域网络的无线宽带声学-机械传感器 "的研究得到了西北大学奎雷-辛普森生物电子学研究所的支持。论文的共同第一作者是西北大学的 Jae-Young Yoo、韩国汉阳大学的 Seyong Oh 和麦吉尔大学健康中心的 Wissam Shalish。