I nostri corpi sono narratori. ogni battito del cuore, lo scricchiolio articolare e il segnale elettrico di un neurone racconta una storia di ciò che sta andando bene e male all'interno del vasto, sistema complesso che ci dà la vita.

Sebbene ora disponiamo della tecnologia indossabile per tradurre alcune di queste storie, come Fitbits o i tracker della salute sui nostri smartphone, per il pioniere della bioelettronica John A. Rogers, dottorato di ricerca, e i suoi colleghi, quei dispositivi graffiano solo la superficie di ciò che possiamo discernere dal corpo in tempo reale.

Rogers, che si è unito alla Northwestern nel 2016, sviluppa dispositivi elettronici che possono piegarsi, allungare, torcere e integrarsi all'interno del corpo umano sia per diagnosticare che per curare la malattia. In qualità di professore di scienza e ingegneria dei materiali di Louis Simpson e Kimberly Querrey, Ingegneria Biomedica e Neurochirurgia, Rogers conduce un lavoro che attraversa le discipline per tradurre la ricerca innovativa in vere scoperte mediche.

Recentemente, Rogers si interessò allo sviluppo di un cerotto indossabile in grado di registrare l'acustica all'interno del corpo, come suoni all'interno di un'articolazione o vibrazioni del linguaggio. "Ci siamo chiesti se fosse possibile costruire un soft, senza fili, dispositivo interfacciato con la pelle con il fattore di forma di un cerotto e le funzioni di uno stetoscopio per misurare in modo continuo e preciso le sottili firme meccaniche e acustiche del corpo, " lui dice.

In un breve lasso di tempo, e attraverso galvanizzanti connessioni nord-occidentali, quello che Rogers ha definito un "esercizio esplorativo nella scienza dei materiali e nella fisica applicata" si è trasformato in un vero strumento diagnostico e terapeutico per misurare i modelli di parola e di deglutizione di un paziente affetto da ictus riabilitativo. Il risultato, il primo dispositivo indossabile pensato per la gola, è un "molto più personalizzato, approccio quantitativo alla riabilitazione, " dice Rogers.

La patch è solo l'inizio. Insieme ad Arun Jayaraman, dottorato di ricerca, professore associato di Medicina Fisica e Riabilitazione e il suo laboratorio nello Shirley Ryan AbilityLab, Rogers ha sviluppato sensori che vengono distribuiti su tutto il corpo per fornire una visione completa del recupero del paziente.

Monitoraggio del discorso, con comodità

Il sensore della gola è solo uno di un portafoglio di innovazioni sviluppate nel Center for Bio-Integrated Electronics della Northwestern. Là, Rogers e i suoi collaboratori hanno sviluppato materiali e approcci progettuali che trasformano l'elettronica dai tradizionali circuiti rigidi in silicio in morbidi, conforme, dispositivi sottili che si integrano con il corpo mentre trasmettono informazioni in tempo reale in modalità wireless sia ai medici che ad algoritmi di apprendimento automatico che possono trovare nuovi modelli all'interno dei dati.

Rogers ha anche sviluppato dispositivi che possono essere indossati sul corpo per misurare la velocità del sudore e la chimica o per quantificare l'esposizione alle radiazioni UV solari, così come dispositivi che possono essere impiantati all'interno del corpo per raccogliere energia dagli organi e trattare automaticamente condizioni cardiache anormali.

A volte un dispositivo è sviluppato per uno scopo, solo per gli investigatori per scoprire che ha una seconda capacità. Il gruppo di Rogers ha originariamente sviluppato la patch acustica con l'idea che potesse essere utile per un nuovo tipo di interfaccia uomo-computer, ma hanno fatto perno dopo essere stati avvicinati da Leora Cherney, dottorato di ricerca, professore di Medicina Fisica e Riabilitazione e ricercatore presso lo Shirley Ryan AbilityLab. Si occupa di pazienti con afasia, la perdita della capacità di parlare o comprendere il discorso dopo un ictus.

Ha chiesto se forse il cerotto alla gola di Rogers potesse misurare il tempo totale di conversazione dei pazienti e la cadenza del loro discorso, offrendo ai terapeuti un modo migliore per monitorare la riabilitazione dei pazienti.

Potrebbe, ha detto Rogers. "La patch è in grado di tracciare il parlato e gli schemi vocali in un modo completamente immune al rumore ambientale, ", afferma. Il team si è subito reso conto che il dispositivo poteva anche misurare la deglutizione. La disfagia, la difficoltà di deglutizione, è un altro atto potenzialmente difficile che influisce sulla qualità della vita dei pazienti con ictus.

"Una volta capito che misurare la parola e la deglutizione era importante, potremmo tornare indietro e adattare i dispositivi specificamente per misurare quei processi, " dice. Il progetto prevedeva la progettazione di una patch flessibile con una batteria, sensore radio e acustico che potrebbe aderire alla parte molle della gola e, forse la cosa più importante, essere confortevole per l'utente.

"La toppa doveva essere costruita in modo che le persone dimenticassero che c'è una volta indossata, "Dice Rogers. "Ci sforziamo dal punto di vista dell'ingegneria e dei materiali per renderlo completamente simile alla pelle e fisicamente impercettibile".

Una volta che il cerotto è stato ottimizzato per i pazienti con afasia e disfagia, Il gruppo di Rogers ha cercato di espandere la sua piattaforma con un altro investigatore di Shirley Ryan AbilityLab, uno che, come Rogers, adotta un approccio multidisciplinare alla risoluzione dei problemi.

Immagine completa del recupero

Lo spazio di Arun Jayaraman nello Shirley Ryan AbilityLab è l'immagine della medicina traslazionale. Il Max Näder Lab for Rehabilitation Technologies and Outcomes Research non ospita solo dozzine di fisioterapisti, ingegneri, scienziati informatici, medici e psicologi sociali, ha anche officine meccaniche per la costruzione di nuove tecnologie e spazi per i pazienti per testarle.

Il gruppo sviluppa e ottimizza le tecnologie di nuova generazione per le persone con disabilità. In caso di ictus, "Gli interventi precoci sono fondamentali per il recupero a lungo termine, "dice Jayaraman, che è anche professore di Scienze Sociali Mediche e di Terapia Fisica e Scienze del Movimento Umano. Il suo team lavora su più di 30 progetti alla volta, comprese le protesi, robotica e tecnologie adattive.

"Con ogni domanda si vuole adottare un approccio multidisciplinare, " dice. "Ogni disciplina ha un processo di pensiero su ciò che potrebbe funzionare. Quando li combini, è allora che ottieni il miglior risultato possibile".

Prima di incontrare Rogers, Jayaraman ha testato nuove tecnologie riabilitative, come una gamba robotica che comprende l'intento dell'utente e poi si piega e si muove come una gamba vera, e ha monitorato le risposte dei pazienti con sensori commerciali. Ma i sensori sono stati ottimizzati per le persone sane, quindi quando un paziente con un'andatura ridotta o un tremore di Parkinson li usava, i sensori non potevano tenere conto dei diversi movimenti, e i dati risultanti non erano corretti.

Gli innovativi sensori di Rogers hanno permesso di rilevare comportamenti in nuove posizioni del corpo, come la gola, ma Jayaraman si è anche chiesto se Rogers potesse fornire una suite di sensori per dare un'immagine completa del corpo della guarigione di un paziente colpito da ictus.

Con il feedback di Jayaraman, Rogers ha ampliato la piattaforma per includere la cinematica del movimento di tutto il corpo. Questa nuova suite di sensori potrebbe essere posizionata in più punti del corpo per misurare la funzione cardiaca, qualità del sonno, attività fisica e contrazioni muscolari. Jayaraman potrebbe anche schierare la toppa del sudore di Rogers, che monitora la perdita di sudore e analizza la chimica del sudore. Ciò si dimostra particolarmente utile nei pazienti con ictus, il cui tasso di sudorazione può variare dal lato sinistro al lato destro del corpo.

Il team di Jayaraman sta ora sviluppando algoritmi per tradurre i dati dai sensori e sta creando un'interfaccia dashboard per medici e terapisti per confrontare i dati dei pazienti con quelli delle persone sane. Intanto, i suoi pazienti stanno provando i sensori a casa.

"A loro non importa indossarli, " dice. "Una volta che i pazienti vengono dimessi, vogliamo che raggiungano un livello in cui possono tornare alle loro vite, torna al lavoro. Ora abbiamo la possibilità di monitorarli per garantire che la loro riabilitazione sia sulla strada giusta".

Il futuro dell'assistenza a lungo termine

Lavorare con medici-scienziati presso lo Shirley Ryan AbilityLab è stato fondamentale per rendere i progetti il ​​più utili possibile, dice Rogers. "Essere co-locati e strettamente accoppiati fa un'enorme differenza."

Spera di continuare a migliorare i sensori cercando ulteriori potenziali usi.

"In definitiva, vorremmo pensare alla nostra ricerca con lo Shirley Ryan AbilityLab come un trampolino di lancio verso una distribuzione più ampia, " dice Rogers. "Vogliamo che la tecnologia si diffonda, impatto sociale positivo”.

Per esempio, si sta collegando con i logopedisti della Northwestern Medicine per testare il cerotto alla gola con i loro pazienti e lavorare su un'interfaccia tattile che ricorda alle persone di deglutire, spostando il cerotto oltre la diagnostica e nella terapia.

Jayaraman, nel frattempo, vede i sensori di Rogers come la chiave per il futuro dell'assistenza a lungo termine, soprattutto per gli anziani, che potrebbero beneficiare di un monitoraggio remoto discreto che potrebbe consentire loro di continuare a vivere nelle proprie case. Questo potrebbe essere un grande mercato, considerando che il numero di americani di età pari o superiore a 65 anni si prevede che raddoppierà fino a superare i 98 milioni entro il 2060.

"Il mondo intero sta invecchiando, " dice Jayaraman. "Se siamo in grado di monitorare gli anziani a casa, potrebbe creare un nuovo modello di cura.