Pierwsza nieinwazyjna metoda ciągłego pomiaru rzeczywistego ciśnienia krwi

Nowa opatentowana technika, zwana rezonansową sonomanometrią, wykorzystuje fale dźwiękowe do delikatnej stymulacji rezonansu w tętnicy, a następnie wykorzystuje obrazowanie ultradźwiękowe do pomiaru częstotliwości rezonansowej tętnicy, uzyskując prawdziwy pomiar ciśnienia krwi. W niewielkim badaniu klinicznym urządzenie, które daje pacjentom delikatne uczucie brzęczenia na skórze, dało wyniki zbliżone do tych uzyskanych przy użyciu standardowego mankietu do pomiaru ciśnienia krwi.

„Otrzymaliśmy urządzenie, które jest w stanie zmierzyć bezwzględne ciśnienie krwi – nie tylko wartości skurczowe i rozkurczowe, które zwykle uzyskujemy za pomocą mankietów ciśnieniomierza – ale także pełną falę” – mówi Yaser Abu-Mostafa (doktorat z 1983 r.), profesor elektrotechniki i informatyki oraz jeden z autorów nowego artykułu opisującego tę technikę i urządzenie w czasopiśmie Nexus PNAS„Dzięki temu urządzeniu możesz mierzyć ciśnienie krwi w sposób ciągły i w różnych miejscach ciała, co daje Ci znacznie więcej informacji o ciśnieniu krwi danej osoby”.

„Ten zespół pracował przez prawie dekadę, próbując zbudować coś, co robi różnicę, co jest wystarczająco dobre, aby rozwiązać prawdziwy problem kliniczny” — mówi Aditya Rajagopal (BS ’08, PhD ’14), wizytujący współpracownik w dziedzinie inżynierii elektrycznej w Caltech, adiunkt badawczy w dziedzinie inżynierii biomedycznej w USC i współautor nowego artykułu. „Wiele grup, w tym giganci technologiczni, tacy jak Apple i Google, pracowało nad rozwiązaniem takim jak to, ponieważ umożliwia ono spektrum możliwości monitorowania pacjentów od szpitala do domu. Nasza metoda poszerza dostęp do monitorowania ciśnienia krwi i wskaźników zdrowia serca na poziomie szpitalnym”.

Ciśnienie krwi 101

Ciśnienie krwi to po prostu siła, z jaką krew naciska na ściany naczyń krwionośnych ciała, gdy jest pompowana do całego ciała. Wysokie ciśnienie krwi, czyli nadciśnienie, wiąże się z ryzykiem zawału serca, udaru, przewlekłej choroby nerek i innych problemów zdrowotnych. Niskie ciśnienie krwi, czyli niedociśnienie, może być również poważnym problemem, ponieważ oznacza, że ​​krew nie transportuje wystarczającej ilości tlenu do organów. Regularne pomiary ciśnienia krwi są uważane za jeden z najlepszych sposobów monitorowania ogólnego stanu zdrowia i identyfikowania potencjalnych problemów.

Większość z nas doświadczyła pomiaru ciśnienia krwi za pomocą mankietu. Pielęgniarka, lekarz lub maszyna pompuje mankiet, który zakłada się na ramię, aż krew nie może już płynąć, a następnie powoli wypuszcza powietrze z mankietu, jednocześnie nasłuchując dźwięku, jaki wydaje krew, gdy znów zaczyna płynąć. Ciśnienie w mankiecie w tym momencie odpowiada ciśnieniu krwi w tętnicach pacjenta. Jednak ta technika ma swoje ograniczenia: może być wykonywana tylko okresowo, ponieważ wiąże się z zamknięciem naczynia krwionośnego i może zbierać dane tylko z ramienia.

Lekarze bardzo chcieliby mieć ciągłe odczyty, które dostarczają pełnych przebiegów ciśnienia krwi pacjenta, a nie tylko obwodowych pomiarów z ramienia, ale także pomiarów centralnych z klatki piersiowej i innych części ciała. Aby uzyskać pełne informacje, których potrzebują, lekarze intensywnej terapii i chirurdzy czasami uciekają się do wprowadzania cewnika bezpośrednio do tętnicy pacjentów w stanie krytycznym (praktyka znana jako zakładanie linii tętniczej lub „linii A”). Jest to inwazyjne i może być ryzykowne, ale do tej pory był to jedyny sposób na uzyskanie ciągłego odczytu rzeczywistego ciśnienia krwi. W niektórych przypadkach, takich jak problemy z zastawkami serca, pełne przebiegi ciśnienia krwi mogą dostarczyć lekarzom informacji diagnostycznych, których nie mogą uzyskać w żaden inny sposób.

„W tym przebiegu jest wiele informacji, które są naprawdę cenne” — mówi Alaina Brinley Rajagopal, wizytująca współpracowniczka w dziedzinie inżynierii elektrycznej w Caltech, lekarz medycyny ratunkowej i współautorka artykułu. A inne urządzenia do pomiaru ciśnienia krwi opracowane w ciągu ostatnich dziesięciu lub dwóch lat wymagają etapu kalibracji, na który lekarze medycyny ratunkowej po prostu nie mają czasu — mówi. „Muszę móc założyć coś pacjentowi i sprawić, by natychmiast zadziałało”.

Nowe urządzenie spełnia oczekiwania. Obecny prototyp, zbudowany i przetestowany przez spółkę spin-off o nazwie Esperto Medical, jest umieszczony w obudowie przetwornika mniejszej niż talia kart i zamontowany na opasce na ramię, choć naukowcy twierdzą, że ostatecznie zmieści się w opakowaniu wielkości zegarka lub plastra samoprzylepnego. Zespół zamierza najpierw użyć urządzenia w szpitalach, gdzie będzie łączyć się przewodowo z istniejącymi monitorami szpitalnymi. Może to oznaczać, że lekarze nie będą już musieli rozważać ryzyka związanego z założeniem wenflonu, aby uzyskać ciągły monitoring rzeczywistego ciśnienia krwi u każdego pacjenta.

Brinley twierdzi, że ich urządzenie mogłoby ostatecznie zastąpić również mankiety do pomiaru ciśnienia krwi. „Mankiety do pomiaru ciśnienia krwi wykonują tylko jeden pomiar tak często, jak zakładasz mankiet, więc jeśli prosisz pacjentów o monitorowanie ciśnienia krwi w domu, muszą wiedzieć, jak używać urządzenia, muszą je założyć i muszą być zmotywowani do rejestrowania informacji, a powiedziałbym, że większość pacjentów tego nie robi” — mówi Brinley Rajagopal. „Posiadanie takiego urządzenia jak nasze, które jest po prostu zakładane i zapominane, można je nosić cały dzień i może ono wykonywać tyle pomiarów, ile chce twój lekarz, umożliwiłoby lepsze, precyzyjne dawkowanie leków”.

Opracowanie rozwiązania zmieniającego zasady gry

Rajagopal wspomina długą drogę, jaką przebył, zanim wynalazł ciśnieniomierz. Około dekady temu Brinley Rajagopal wróciła z globalnej podróży medycznej, szczególnie sfrustrowana standardem opieki, jaką mogła zapewnić pacjentom w odległych miejscach. Rozmawiając z Rajagopalem, oboje życzyli sobie, aby mogli wynaleźć coś w rodzaju medycznego tricordera, przenośnego urządzenia widzianego w Star Trek co pomogło fikcyjnym lekarzom przyszłości skanować pacjentów, zbierać informacje medyczne i diagnozować. „To skłoniło nas do myślenia o technologiach, które moglibyśmy dostosować, aby zbliżyć się do takiego celu” — mówi Brinley Rajagopal. Te początkowe dyskusje inspirowane science fiction ostatecznie zaprowadziły ich na ścieżkę, aby spróbować opracować lepszy ciśnieniomierz.

Ale ich pierwsze próby nie przyniosły rezultatu. Po latach pracy nad możliwym rozwiązaniem wykorzystującym prędkość krwi do wyznaczania ciśnienia krwi, zespół uznał, że dotarli do ślepej uliczki. Podobnie jak w przypadku wielu innych obecnych urządzeń do pomiaru ciśnienia krwi, takie podejście mogło zapewnić jedynie względny ciśnienie krwi — różnica między wysokimi i niskimi pomiarami bez wartości bezwzględnej. Wymagało również kalibracji.

Powrót do deski kreślarskiej

Rajagopal uznał, że nadszedł czas, aby ponownie ocenić i ustalić, czy mają jakiekolwiek szanse na rozwiązanie tego problemu. „To właśnie ten moment desperacji doprowadził do kluczowego wniosku” — mówi Rajagopal.

Myśląc o swoim pierwszym roku fizyki w Caltech, zaczął bazgrać na pobliskiej ścianie. Przypomniał sobie, że jego podręcznik do fizyki 1 przedstawiał problem kanoniczny: masz naprężoną strunę. Jak możesz określić, jak napięta jest lina? Jeśli wyrwiesz strunę, możesz powiązać prędkość, z jaką fale wibracyjne przemieszczają się tam i z powrotem na strunie, z częstotliwością rezonansową struny, co mogłoby dać ci odpowiedź. „Pomyślałem, że jeśli rozciągnę tętnicę w jednym kierunku i magicznie ją wyrwę i puszczę, dzwonienie da nam częstotliwość rezonansową, która doprowadzi nas do ciśnienia krwi” — mówi Rajagopal. Po sześciu latach porażek i powrotu do pierwszych zasad w końcu uzyskali swój przewodni wgląd.

I właśnie taka jest podstawowa idea nowego urządzenia: podobnie jak w gitarze, której wysokość dźwięku zmienia się w miarę szarpania i zaciskania strun, częstotliwość, z jaką tętnica rezonuje, gdy trafiają na nią fale dźwiękowe, zmienia się w zależności od ciśnienia znajdującej się w niej krwi.

Tę częstotliwość rezonansową można zmierzyć za pomocą ultradźwięków, co pozwala na pomiar ciśnienia krwi. Pomiar ten wymaga trzech parametrów — pomiaru promienia tętnicy, grubości ścian tętnicy i napięcia lub energii w skórze tętnicy.

Po opracowaniu praw fizyki pozostało jeszcze wiele innych szczegółów do rozwiązania — zidentyfikowanie fal dźwiękowych powodujących rezonans tętnic, zrozumienie, w jaki sposób mierzyć ten rezonans, a następnie określenie, w jaki sposób skutecznie odwzorować go na ciśnienie krwi, a co najważniejsze, jak zbudować działający system.

„Zbudowanie tego systemu wymagało niezwykle niestandardowych technologii” — mówi Rajagopal. Absolwent Caltech Raymond Jimenez (BS ’13) odegrał kluczową rolę w zbudowaniu tego pierwszego systemu. „Formą sztuki, w którą zaangażowało się wielu innych absolwentów Caltech, było umieszczenie odpowiedzi fizyki w bardzo prostym, praktycznym instrumencie”.

Powstałe urządzenie Esperto jest małe, nieinwazyjne, stosunkowo niedrogie i posiada zautomatyzowaną metodę lokalizowania naczyń krwionośnych pacjenta bez konieczności fizycznej zmiany położenia. Nie ma również problemów, które mają niektóre urządzenia do monitorowania ciśnienia krwi, takich jak niedokładność w przypadku pacjentów z niskim ciśnieniem krwi lub uzyskiwanie różnych wyników w zależności od odcienia skóry pacjenta.

To może nie być medyczny tricorder, ale zespół twierdzi, że urządzenie rozwiązuje długotrwały problem monitorowania ciśnienia krwi. A Rajagopal mówi, że jest to produkt miliona małych skoków. „Wszystko, co zrobiliśmy, jest produktem dokładnych błędów, które popełniliśmy na przestrzeni czasu” — mówi — „i całej pracy, którą wykonali również inni”.

„Ta praca jest symbolem tego, co czyni Caltech tak niezwykłym: rozwiązywanie bardzo trudnego problemu poprzez powrót do pierwszych zasad i zrozumienie zjawiska fizycznego na poziomie fundamentalnym” — mówi Fred Farina, Chief Innovation and Corporate Partnerships Officer w Caltech. „To podejście, w połączeniu z wytrwałością i przedsiębiorczym zapałem zespołu, to nasz domowy przepis na wpływ społeczny i poprawę życia ludzi”.

Artykuł opisujący nową technikę nosi tytuł „Resonance sonomanometry for noninduced, continuous monitoring of blood pressure”. Inni autorzy artykułu to Raymond Jimenez (BS ’13), Steven Dell, Austin C. Rutledge, Matt K. Fu (BS ’13) i William P. Dempsey (PhD ’12) z Esperto Medical oraz Dominic Yurk (BS ’17, PhD ’23), obecny członek grupy Abu-Mostafy w Caltech. Prace w Caltech były wspierane przez powiernika Caltech Charlesa Trimble’a (BS ’63, MS ’64), Carver Mead Innovation Fund i Grubstake Fund.