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– Detecção, atuação e cura. Se pudéssemos combinar recursos de detecção de sinais vitais com algoritmos inteligentes e recursos de atuação para não apenas diagnosticar, mas também “corrigir” um problema no corpo?
Minapim por Hernan Valenzuela: Assim como um marca-passo faz hoje, vários sistemas de eletrônica vestível e cuidável em malha fechada nos ajudarão no futuro. O exemplo mais conhecido de um dispositivo de terapia autônomo e de circuito fechado é um marca-passo. Em segundo lugar, embora ainda não disponíveis comercialmente, estão as bombas de insulina inteligentes.
Com inteligência artificial e sensores e atuadores miniaturizados, os componentes estão lá para moldar um futuro com uma infinidade de sistemas de circuito fechado para saúde remota, preventiva e curativa.
Pense em eletrônica vestível (wearables) de nível médico que medem a pressão arterial e ajuda a encontrar a dose certa de medicamento regulador da pressão arterial.
Pense em pequenos implantes que estimulam nervos específicos com base em biomarcadores para enxaqueca detectados em tempo real. Ou pense em sensores integrados invisivelmente em assentos (de carro) e cadeiras de escritório para monitorar a capacidade respiratória de pacientes com pulmão e aconselhá-los sobre seu programa de condicionamento físico.
O pesquisador Senior, Vojkan Mihajlović, e Evelien Hermeling, principal cientista do Imec, compartilham sua visão sobre como os sistemas de loop fechado, consistindo em eletrônica vestível (wearables), implantáveis, invisíveis e algoritmos inteligentes, irão transformar a saúde.
De marcapassos a anestesia
Milhares de resultados sobre pâncreas artificial, aparecem no Google, segundo Hermeling: “Na verdade, a evolução do tratamento do diabetes é ideal para ilustrar o que é um sistema de terapia de ciclo fechado.
Os pacientes mudaram de picadas de dedo e canetas de insulina para monitores de glicose em seu abdômen ou braço que medem continuamente e enviam alarmes para seus celulares. ”
“Os sistemas mais avançados hoje como a Bomba de insulina Minimed ™ 670G da Medtronic, vão um passo além e adicionam um pequeno computador vestível ao monitor contínuo de glicose.
O computador captura os dados, calcula a quantidade de insulina necessária e envia essas informações para a bomba de insulina que também está conectada ao abdômen do paciente. Dessa forma, o açúcar no sangue permanece estável dia e noite, automaticamente.
O rim artificial para pacientes em diálise é outro exemplo típico, embora ainda esteja em um futuro distante. Também está previsto que, para outras condições crônicas ou agudas, os tratamentos de próxima geração não ficarão mais restritos a produtos químicos.
Em breve, os médicos poderão prescrever tratamentos com medicamentos em combinação com dispositivos de eletrônica vestível e cuidável, em malha fechada que monitoram o efeito do medicamento ou sugerir mudanças em sua dosagem (conhecido como processo de titulação).
Segundo Mihajlović: “Também para os médicos, os sistemas de circuito fechado existem para tornar a vida mais fácil. Pense em um sistema de ciclo fechado para anestesia: o anestesiologista define uma pressão arterial alvo e o sistema mantém automaticamente essa meta ao dosar a medicação apropriada. Isso permite que os especialistas se concentrem no paciente e os livra de tarefas repetitivas e automatizáveis. ”
Preparando o futuro sistema de terapia de circuito fechado
Sistemas de sensores e atuadores sem fio, confiáveis e com inteligência artificial para interpretação dos dados, novos sistemas mais inteligentes e mais autônomos para manter o olho atento na saúde do paciente.
Na opinião de Hermeling: “Um sistema de malha fechada típico é composto de diferentes partes, cada uma com seus requisitos específicos.
O modulo sensor mede um ou mais parâmetros do corpo do paciente, como frequência cardíaca, ECG, pressão sanguínea, etc. Os sensores devem ser precisos, pequenos e capazes de transmitir sem fio seus dados para a nuvem ou um dispositivo nas proximidades do paciente. ”
“Em seguida, uma pequena unidade de processamento é necessária, executando algoritmos que podem interpretar esses dados do sensor em percepções acionáveis. A personalização é fundamental.
Os parâmetros contextuais e ambientais precisam ser considerados. Medicamentos para baixar a pressão arterial, idealmente titulados para uma pessoa por um dia normal, podem causar a pressão arterial para cair durante o tempo quente. Essa pode ser uma situação perigosa que precisa ser corrigida. Algoritmos seriam capazes de ajustar as doses, levando em consideração tais parâmetros contextuais e ambientais. ”
“Um terceiro bloco de construção é o algoritmo de controle, que traduz os insights em uma ação de controle. Por exemplo, o acúmulo de muito líquido no corpo pode resultar no aumento da dosagem do medicamento para um paciente.
“E a última parte é o hardware do atuador, por exemplo, a microbomba distribuindo um medicamento na corrente sanguínea, com base nas instruções que recebeu do algoritmo de controle. Um fator de forma pequeno e operação precisa e oportuna são os recursos mais importantes deste bloco de construção. ”
Principais blocos de construção de um sistema de terapia de circuito fechado. Os azuis escuros são normalmente componentes de hardware, enquanto os blocos de cor branca são principalmente módulos de software.
Os sistemas de terapia de circuito fechado podem ter muitos fatores de forma diferentes: vestíveis, implantáveis, invisíveis, para Mihajlović, Invisíveis são sensores que são perfeitamente integrados ao ambiente do paciente. Pense em sensores em um assento (de carro), no painel de um carro, um colchão ou até mesmo em um assento de vaso sanitário.
Enquanto a eletrônica vestível e implantável mede continuamente, a eletrônica invisível medem apenas ocasionalmente, o que é suficiente para certos tipos de medições. Verificação diária da pressão arterial, composição da urina ou capacidade pulmonar. ”
O Imec é conhecido por seu trabalho de miniaturização de eletrônicos, que é pesquisado em salas limpas de última geração.
Ha 15 anos, o trabalho começou com sistemas de detecção para monitoramento de sinais vitais.
Vieram as colaborações com a indústria, como Samsung e Biotelemetria, em um grande estudo sobre monitoramento de estresse em condições da vida real e em diferentes dispositivos protótipos para medir ondas cerebrais, movimentos dos olhos, marcha, padrões de sono, respiração, dor e estresse , e parâmetros gerais de saúde. ”
“O foco tem sido fazer sistemas de sensores muito compactos, de baixo consumo de energia e sem fio, com aquisição de dados eficiente, usando diferentes modalidades, como atividades do coração, pulmões, músculos ou nervos e integrando-os em diferentes dispositivos como relógio, patch, fone de ouvido. O Imec trabalha para expandir a porção de aquisição eficiente, com algoritmos inteligentes para fornecer insights acionáveis e princípios de atuação para fechar o ciclo. ”
É necessário desenvolver algoritmos para uma boa interpretação dos dados coletados do sensor e para garantir a qualidade dos dados confiáveis em condições da vida real e em ambientes não controlados. Para Mihajlović, o Imec atua no domínio da atuação e estimulação, explorando as possibilidades de estimulação cerebral não invasiva e estimulação elétrica de nervos com pequenos nódulos implantáveis.
Está em curso uma estrutura de software que facilita a aquisição de dados multimodais, interpretação de sinal e especificação de regras de controle necessárias para atuação ideal. Essa estrutura liga todos esses componentes em um verdadeiro sistema de loop fechado, para atender requisitos de tempo e modalidades de feedback / atuação.
Exemplos de trabalhos no Imec
- Um fone de ouvido que combate depressões, enxaquecas
- Pequenos nódulos implantáveis que estimulam seus nervos
- Uso do ambiente do paciente para monitorar os sinais vitais
As aplicações para tCS são numerosas, variando de tratamento de depressão e enxaqueca a epilepsia e transtornos de ansiedade. Em um sistema de loop fechado, é importante medir as ondas cerebrais durante e após a aplicação de estímulos, de modo que os estímulos possam ser adaptados para facilitar o tratamento personalizado.
“Tradicionalmente, o método envolvia dois grandes eletrodos colocados em locais diferentes no couro cabeludo com corrente indo de um eletrodo para o outro. Os eletrodos eram feitos de polímero condutor envolto em um invólucro esponjoso, embebido em solução salina.”
“As abordagens mais recentes de tCS dependem de um número maior de eletrodos menores (1 cm²). A Imec desenvolveu headsets de monitoramento de EEG com pequenos eletrodos secos, junto com a Datwyler. São muito fáceis de usar e fornecem medições de alta qualidade.
Os eletrodos secos estão sendo adaptados para tCS. Para esta aplicação, planejamos estender os recursos do fone de ouvido com eletrodos ativos digitais, com recursos elétricos e ópticos. Assim torna-se possível medir e estimular simultaneamente sem interferências. (por exemplo, estimulação elétrica, detecção óptica e vice-versa).
Plataforma de pesquisa de fone de ouvido EEG da Imec com modalidades ópticas e elétricas para medir e estimular a atividade cerebral. As aplicações possíveis são no tratamento da depressão, enxaqueca, epilepsia.
O Imec desenvolveu uma cabeça fantasma para facilitar a exploração dos aspectos de segurança e o impacto da tCS no tecido da cabeça. Além disso, permite otimizar o monitoramento e a estimulação do cérebro em circuito fechado.
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Fonte: IMEC
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