Investigadores de la Universidad Northwestern presentan un estetoscopio portátil inalámbrico para la monitorización continua de las constantes vitales

Los primeros wearables de su clase captan los sonidos corporales para controlar continuamente la salud
Los nuevos dispositivos se probaron en una serie de pacientes, desde bebés prematuros hasta ancianos

Fecha de lanzamiento: 16 de noviembre de 2023

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Desde los latidos del corazón hasta los gorgoteos del estómago, los sonidos contienen información sanitaria importante
Los nuevos dispositivos inalámbricos se colocan sobre la piel para captar sonidos de forma continua y, a continuación, transmitir los datos a teléfonos inteligentes o tabletas en tiempo real
Los dispositivos separan los sonidos internos del cuerpo del ruido ambiental externo
En estudios piloto, los dispositivos rastrearon con precisión los sonidos asociados a la función cardiorrespiratoria, la actividad gastrointestinal, la deglución y la respiración
Los dispositivos son especialmente valiosos para los bebés prematuros, que pueden experimentar apneas y complicaciones gastrointestinales, que van acompañadas de sonidos

EVANSTON, Illinois - Incluso durante las visitas más rutinarias, los médicos escuchan los sonidos del interior del cuerpo de sus pacientes: el aire que entra y sale de los pulmones, los latidos del corazón e incluso los alimentos digeridos que avanzan por el largo tracto gastrointestinal. Estos sonidos proporcionan una valiosa información sobre la salud de una persona. Y cuando estos sonidos cambian sutilmente o directamente cesan, puede ser señal de un problema grave que justifique una intervención a tiempo.

Ahora, investigadores de la Universidad Northwestern presentan nuevos dispositivos portátiles blandos y miniaturizados que van mucho más allá de las mediciones episódicas obtenidas durante los exámenes médicos ocasionales. Adheridos suavemente a la piel, los dispositivos rastrean continuamente estos sutiles sonidos de forma simultánea e inalámbrica en múltiples ubicaciones de casi cualquier región del cuerpo.

El nuevo estudio se publica hoy (16 de noviembre) en la revista Nature Medicine.

En estudios piloto, los investigadores probaron los dispositivos en 15 bebés prematuros con trastornos respiratorios y de la motilidad intestinal y en 55 adultos, 20 de ellos con enfermedades pulmonares crónicas. Los dispositivos no sólo funcionaron con precisión de grado clínico, sino que también ofrecieron nuevas funcionalidades que no se han desarrollado ni introducido en la investigación o la atención clínica.

"En la actualidad, no existen métodos para monitorizar de forma continua y cartografiar espacialmente los sonidos corporales en casa o en entornos hospitalarios", afirmó John A. Rogers, de Northwestern, pionero de la bioelectrónica que dirigió el desarrollo del dispositivo. "Los médicos tienen que colocar un fonendoscopio convencional, o uno digital, en distintas partes del tórax y la espalda para escuchar los pulmones punto por punto. En estrecha colaboración con nuestros equipos clínicos, nos propusimos desarrollar una nueva estrategia para monitorizar a los pacientes en tiempo real de forma continua y sin los estorbos asociados a una tecnología rígida, con cables y voluminosa."

"La idea que subyace a estos dispositivos es proporcionar una evaluación continua y de gran precisión de la salud del paciente para luego tomar decisiones clínicas en las clínicas o cuando los pacientes ingresan en el hospital o están conectados a respiradores", afirmó el Dr. Ankit Bharat, cirujano torácico de Northwestern Medicine, que dirigió la investigación clínica en los sujetos adultos. "Una ventaja clave de este dispositivo es poder escuchar y comparar simultáneamente distintas regiones de los pulmones. En pocas palabras, es como si hasta 13 médicos altamente cualificados escucharan simultáneamente diferentes regiones de los pulmones con sus estetoscopios, y sus mentes se sincronizaran para crear una evaluación continua y dinámica de la salud pulmonar que se traduce en una película en una pantalla de ordenador real."

Rogers es catedrático Louis Simpson y Kimberly Querrey de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ingeniería Biomédica y Cirugía Neurológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de la Northwestern y en la Escuela de Medicina Feinberg de la Northwestern University. También dirige el Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica. Bharat es jefe de cirugía torácica y catedrático de cirugía Harold L. y Margaret N. Method en Feinberg. Como director del Instituto Torácico Canning de Northwestern Medicine, Bharat realizó los primeros trasplantes pulmonares dobles en pacientes con COVID-19 en EE.UU. y puso en marcha un programa de trasplante pulmonar pionero en su clase para determinados pacientes con cáncer de pulmón en estadio 4.

Red de detección exhaustiva y no invasiva

Los pequeños y ligeros dispositivos, que contienen pares de micrófonos y acelerómetros digitales de alto rendimiento, se adhieren suavemente a la piel para crear una red de detección integral y no invasiva. Al captar simultáneamente los sonidos y correlacionarlos con los procesos corporales, los dispositivos cartografían espacialmente cómo fluye el aire dentro, a través y fuera de los pulmones, así como cómo cambia el ritmo cardiaco en distintos estados de reposo y actividad, y cómo se mueven los alimentos, los gases y los líquidos a través de los intestinos.

Encapsulado en silicona blanda, cada dispositivo mide 40 milímetros de largo, 20 milímetros de ancho y 8 milímetros de grosor. Dentro de esa pequeña huella, el dispositivo contiene una unidad de memoria flash, una batería diminuta, componentes electrónicos, capacidades Bluetooth y dos micrófonos diminutos: uno orientado hacia dentro, hacia el cuerpo, y otro hacia fuera, hacia el exterior. Al captar los sonidos en ambas direcciones, un algoritmo puede separar los sonidos externos (ambientales o de órganos vecinos) y los sonidos internos del cuerpo.

"Los pulmones no producen suficiente sonido para que una persona normal los oiga", explica Bharat. "Simplemente no son lo bastante ruidosos, y los hospitales pueden ser lugares ruidosos. Cuando hay gente hablando cerca o máquinas pitando, puede ser increíblemente difícil. Un aspecto importante de nuestra tecnología es que puede corregir esos sonidos ambientales"

La captación del ruido ambiente no sólo permite la cancelación del ruido, sino que también proporciona información contextual sobre el entorno de los pacientes, lo que es especialmente importante cuando se trata a bebés prematuros.

"Independientemente de la ubicación del dispositivo, el registro continuo del entorno sonoro proporciona datos objetivos sobre los niveles de ruido a los que están expuestos los bebés", afirma el Dr. Wissam Shalish, neonatólogo del Hospital Infantil de Montreal y coprimer autor del artículo. "También ofrece oportunidades inmediatas para abordar cualquier fuente de estímulos auditivos estresantes o potencialmente comprometedores"

Monitorización no intrusiva de la respiración de los bebés

Al desarrollar los nuevos dispositivos, los investigadores tenían en mente dos colectivos vulnerables: los bebés prematuros de la unidad de cuidados intensivos neonatales (UCIN) y los adultos postoperados. En el tercer trimestre del embarazo, el sistema respiratorio de los bebés madura para que puedan respirar fuera del útero. Por lo tanto, los bebés que nacen antes o en las primeras fases del tercer trimestre tienen más probabilidades de desarrollar problemas pulmonares y complicaciones respiratorias.

Especialmente frecuentes en los bebés prematuros, las apneas son una de las principales causas de hospitalización prolongada y, potencialmente, de muerte. Cuando se producen apneas, los bebés o bien no respiran (debido a la inmadurez de los centros respiratorios del cerebro) o tienen una obstrucción en las vías respiratorias que restringe el flujo de aire. Algunos bebés pueden incluso tener una combinación de ambas. Sin embargo, no existen métodos actuales para monitorizar continuamente el flujo de aire a pie de cama y distinguir con precisión los subtipos de apnea, especialmente en estos bebés más vulnerables de la UCIN clínica.

"Muchos de estos bebés son más pequeños que un estetoscopio, por lo que su monitorización ya supone un reto técnico", afirma la Dra. Debra E. Weese-Mayer, coautora del estudio, jefa de medicina autonómica del Hospital Infantil Ann & Robert H. Lurie de Chicago y catedrática Beatrice Cummings Mayer de medicina autonómica en Feinberg. "Lo bueno de estos nuevos dispositivos acústicos es que pueden monitorizar de forma no invasiva y continua al bebé -durante la vigilia y el sueño- sin molestarle. Estos wearables acústicos brindan la oportunidad de determinar de forma segura y no intrusiva la "firma" de cada bebé en relación con su movimiento aéreo (entrada y salida de las vías respiratorias y los pulmones), los sonidos cardíacos y la motilidad intestinal de día y de noche, prestando atención a la ritmicidad circadiana. Y estos wearables monitorizan simultáneamente el ruido ambiental que podría afectar a la 'firma' acústica interna y/o introducir otros estímulos que podrían afectar a un crecimiento y desarrollo saludables."

En los estudios de colaboración realizados en el Hospital Infantil de Montreal (Canadá), el personal sanitario colocó los dispositivos acústicos a los bebés justo debajo de la escotadura supraesternal, en la base de la garganta. Los dispositivos detectaron con éxito la presencia de flujo de aire y movimientos torácicos y pudieron estimar el grado de obstrucción del flujo de aire con gran fiabilidad, lo que permitió identificar y clasificar todos los subtipos de apnea.

"Cuando se colocan en la escotadura supraesternal, la mayor capacidad para detectar y clasificar las apneas podría dar lugar a una atención más específica y personalizada, mejores resultados y una reducción de la duración de la hospitalización y de los costes", afirmó Shalish. "Cuando se coloca en el tórax derecho e izquierdo de bebés en estado crítico, la información en tiempo real transmitida cada vez que la entrada de aire disminuye en un lado con respecto al otro podría alertar rápidamente a los clínicos de una posible patología que requiera una intervención inmediata."

Seguimiento de la digestión infantil

En niños y lactantes, los problemas cardiorrespiratorios y gastrointestinales son las principales causas de muerte durante los cinco primeros años de vida. Los problemas gastrointestinales, en particular, van acompañados de una reducción de los ruidos intestinales, lo que podría utilizarse como señal de alerta temprana de problemas digestivos, dismotilidad intestinal y posibles obstrucciones. Así que, como parte del estudio piloto en la UCIN, los investigadores utilizaron los dispositivos para monitorizar estos sonidos.

En el estudio, los bebés prematuros llevaban sensores en cuatro puntos de su abdomen. Los primeros resultados se alinearon con las mediciones de la motilidad intestinal en adultos mediante sistemas basados en cables, que es la norma actual de atención médica.

"Cuando se colocan en el abdomen, la detección automática de ruidos intestinales reducidos podría alertar al clínico de una complicación gastrointestinal inminente (a veces potencialmente mortal)", dijo Shalish. "Mientras que la mejora de los ruidos intestinales podría indicar signos de recuperación intestinal, especialmente tras una intervención gastrointestinal"

"La motilidad intestinal tiene sus propios patrones acústicos y cualidades tonales", dijo Weese-Mayer. "Una vez caracterizada la 'firma' acústica de un paciente individual, las desviaciones de esa firma personalizada tienen potencial para alertar al individuo y al equipo sanitario de un mal estado de salud inminente, cuando aún se está a tiempo de intervenir para restablecer la salud."

Además de ofrecer una monitorización continua, los dispositivos también desvinculan a los bebés de la UCIN de la variedad de sensores, hilos y cables conectados a los monitores de cabecera.

Trazar el mapa de una sola respiración

Junto con el estudio de la UCIN, los investigadores probaron los dispositivos en pacientes adultos, entre los que había 35 adultos con enfermedades pulmonares crónicas y 20 controles sanos. En todos los sujetos, los dispositivos captaron la distribución de los sonidos pulmonares y los movimientos corporales en varios lugares simultáneamente, lo que permitió a los investigadores analizar una sola respiración en diversas regiones de los pulmones.

"Como médicos, a menudo no comprendemos cómo funciona una región específica de los pulmones", dijo Bharat. "Con estos sensores inalámbricos, podemos captar diferentes regiones de los pulmones y evaluar su rendimiento específico y el de cada región en relación con las demás"

En 2020, las enfermedades cardiovasculares y respiratorias se cobraron casi 800.000 vidas en EE.UU., lo que las convierte en la primera y la tercera causa de muerte en adultos, según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades. Con el objetivo de ayudar a orientar las decisiones clínicas y mejorar los resultados, los investigadores esperan que sus nuevos dispositivos puedan reducir drásticamente estas cifras para salvar vidas.

"Los pulmones pueden emitir todo tipo de sonidos, como crepitaciones, sibilancias, ondulaciones y aullidos", explicó Bharat. "Es un microentorno fascinante. Mediante la monitorización continua de estos sonidos en tiempo real, podemos determinar si la salud pulmonar está mejorando o empeorando y evaluar lo bien que está respondiendo un paciente a una medicación o tratamiento concreto. Así podremos personalizar los tratamientos para cada paciente" El estudio, "Sensores acústico-mecánicos inalámbricos de banda ancha como redes de área corporal para la monitorización fisiológica continua", contó con el apoyo del Instituto Querrey-Simpson de Bioelectrónica de la Universidad Northwestern. Los co-primeros autores del trabajo son Jae-Young Yoo de Northwestern, Seyong Oh de la Universidad Hanyang de Corea y Wissam Shalish del Centro de Salud de la Universidad McGill.