Unsere tragbare Zukunft, Teil 1: Wie wird die neue Technologie aussehen?

Von Jerilyn Covert

Dies ist der erste Teil einer zweiteiligen Serie über die Zukunft der Wearable Tech. Im zweiten Teil werden die unglaublichen Fortschritte in den Bereichen Energie und Elektronik untersucht, die künftige Wearables ermöglichen werden.

23. August 2022 - Michael Snyder trägt jeden Tag acht Sensoren an seinem Körper, darunter zwei Smartwatches an jedem Handgelenk.

Ein Overkill? Nein. Er ist Genetiker und erforscht, wie man den Gesundheitszustand von Menschen mit Hilfe von Wearables verfolgen kann. Wearables sind ein relativ neuer Begriff für Geräte, die wir auf oder in der Nähe unserer Haut tragen, um alles Mögliche zu messen, von der Herzfrequenz bis zur Anzahl der Treppen, die wir täglich steigen.

Es wäre in der Tat seltsam, wenn er sich nicht intensiv mit den elektronischen Accessoires beschäftigen würde. Er ist Direktor des Stanford Center for Genomics and Personalized Medicine und einer der ersten, der gezeigt hat, wie eine Smartwatch Infektionskrankheiten erkennen kann. Ein typischer Fall: Snyder hat einmal eine Smartwatch benutzt, um seine eigene Borreliose zu erkennen, bevor er Symptome hatte.

Das ist nur ein kleiner Vorgeschmack auf das, was Wearables bald für uns alle leisten können.

Einen Vorgeschmack auf diese Zukunft haben wir natürlich schon heute. Wir leben in einer Zeit, in der eine Uhr den Kalorienverbrauch zählt, eine Hose die Yogapose des herabschauenden Hundes korrigiert und eine Brille Benachrichtigungen direkt vor unseren Augen anzeigt.

Aber die Wearables von morgen werden nicht nur Ihr Training oder Ihr Mobiltelefon ergänzen - sie werden Sie vor drohenden Krankheiten warnen, chronische Erkrankungen verwalten und Ärzten helfen, Behandlungen auf die individuellen Bedürfnisse jedes einzelnen Patienten abzustimmen.

Und das Beste daran ist, dass sie all dies außerhalb der Klinik tun werden - so dass Sie die Zeit damit verbringen können, zu arbeiten, Kontakte zu pflegen oder Ihr Leben zu leben.

Willkommen in unserer tragbaren Zukunft.

Die "Steinzeit"-Technologie von heute deutet auf die medizinischen Wunder von morgen hin

Science-Fiction verspricht uns schon seit Jahrzehnten coole neue Dinge auf unserer Haut - aber wie werden unsere Wearables tatsächlich aussehen und was werden sie können? Die Zukunft gewinnt an Fahrt dank der Fortschritte bei Materialien, Sensoren und Energiequellen, die auf Wearables der nächsten Generation abzielen, die zwei Hauptziele erfüllen: Sie sollen weniger aufdringlich und zuverlässiger sein.

Diese schöne neue Welt der Wearables umfasst mehrere Entwicklungsstufen, und einige der Geräte können Sie bereits jetzt kaufen.

Smartwatches messen die Herzfrequenz und das Schlafverhalten - neue Apps können diese Daten nutzen, um eine COVID-19-Infektion zu erkennen, bevor Sie sie bekommen. Ein kuscheliges Hemd kann Ihre Vitalparameter kontinuierlich und in Echtzeit messen. Und ein Hautpflaster auf der Rückseite Ihres Arms kann rund um die Uhr Ihren Blutzuckerspiegel messen, ohne dass Sie sich in den Finger stechen müssen - Sie können in Echtzeit sehen, wie sich Ihre Ernährung auf Ihren Blutzucker auswirkt, und erhalten so einen persönlichen Fahrplan für Ihre Ernährung.

Andere gehen noch weiter und versuchen, Wearables so zu gestalten, dass sie unseren Alltag erleichtern, indem sie kleiner, flexibler, dehnbarer und sogar waschbar werden.

Künftige Wearables könnten "unsichtbar" sein, sich in die Kleidung einfügen oder sich an den Körper anpassen, sagt Veena Misra, PhD, Direktorin des staatlich finanzierten ASSIST-Zentrums, in dem Forscher der North Carolina State University und von Partnereinrichtungen zusammenarbeiten, um Wearables der nächsten Generation zu entwickeln.

Stellen Sie sich ein normal aussehendes Hemd vor, in dessen Stoff unsichtbare Sensoren eingearbeitet sind, oder ein Gerät, das so klein ist, dass es sich unter Ihrem Fingernagel verstecken kann - oder sogar in Ihnen selbst (das ist nicht der Herzschrittmacher Ihrer Großmutter).

"Wenn Wearables sehr dünn und hautähnlich sein können, werden sie nützlicher und wirkungsvoller sein", sagt Misra.

Allerdings ist der Erfolg nicht garantiert. Die Entwicklung dieser Technologie ist, um den Fachausdruck zu verwenden, sehr schwierig. Selbst wenn sich die Wissenschaft durchsetzt, sind auf dem Weg zur klinischen und kommerziellen Nutzung noch viele Hürden zu überwinden. Obwohl die Begeisterung für Wearables groß ist, wissen wir alle, dass der Hype um eine neue Technologie nicht immer die Marktgröße vorhersagt. (Und das globale Marktforschungsunternehmen IDC meldete für das erste Quartal 2022 eine rückläufige Entwicklung des Marktes für Wearables.

Trotz dieser Herausforderungen sind die Forscher weiterhin bestrebt, dafür zu sorgen, dass wir die Geräte, die den Schlüssel zu unserer künftigen Gesundheitsversorgung darstellen, auch gut tragen.

Warum Wearables?

"Big Data" ist in den Bereichen Gesundheit und Medizin geradezu gigantisch. Da sich maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz (KI) und Datenanalyse weiterentwickeln, um die Macht all dieser Daten zu nutzen, sind Wearables die idealen Mittel, um sie zu sammeln.

Diese Fortschritte sind "symbiotisch", sagt Dr. Michael Daniele, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der North Carolina State University. "Wenn wir die Wearables richtig einsetzen, werden sie hochwertige Daten liefern, die dann in die Pipeline für maschinelles Lernen, KI und Big Data eingespeist werden können. Ebenso sind diese Daten ohne die Werkzeuge, die sie in Informationen umwandeln, wertlos, sagt er.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden - die Sie wahrscheinlich nur ein- oder zweimal im Jahr beim Arztbesuch anwenden - können Wearables überall und jederzeit angelegt werden, um Daten kontinuierlich zu verfolgen und Gesundheitstrends aufzuzeigen. Das kann Ärzten helfen, bei der Erstellung einer Diagnose oder Prognose "Lücken zu schließen", sagt Daniele. "Das gibt den Ärzten einen weiteren Pfeil im Köcher".

Aber auch der Durchschnittsmensch selbst erhält dadurch Einblicke in seinen Körper, und zwar in Echtzeit. Die kontinuierliche Überwachung liefert eine Basislinie - und Ihre Basislinie ist einzigartig für Sie -, die Probleme aufdeckt und Sie auf unerwünschte Ereignisse aufmerksam macht.

So hat Snyder seine Borreliose erkannt, bevor er etwas spürte.

"Man fährt ja auch nicht mit einem Auto ohne Armaturenbrett herum", sagt er. "Ich würde behaupten, dass es genauso verrückt ist, ohne einen Gesundheitsmonitor herumzufahren."

Die Forschung zeigt, dass Smartwatches mit EKG Vorhofflimmern (AFib) mit überraschender Genauigkeit diagnostizieren können (und einige große Marken haben bereits die FDA-Zulassung für AFib-Funktionen erhalten), und sie könnten sich eines Tages auch für die Erkennung von Herzinfarkten als nützlich erweisen.

Snyder und sein Team haben eine App entwickelt, die mit einer Smartwatch gekoppelt ist, um Infektionen und Krankheiten zu erkennen.

"Wir können jetzt in 80 % der Fälle feststellen, ob man COVID hat, bevor Symptome auftreten", sagt er. "Der Median liegt bei 3 Tagen vor dem Auftreten von Symptomen."

Er hofft, diese Technologie innerhalb von 5 Jahren zu skalieren, so dass sie für jeden Menschen verfügbar ist. "3,8 Milliarden Menschen haben ein Smartphone", sagt er. "Man muss es nur mit einer Smartwatch kombinieren, und schon hat man einen Gesundheitsmonitor für 3,8 Milliarden Menschen."

Wie werden die Wearables der Zukunft aussehen?

Bevor Wearables die Welt verändern können, müssen wir natürlich bereit sein, sie auch zu tragen.

Das bedeutet, dass die Geräte nicht schreien müssen: "Hey, ich habe ein Gesundheitsproblem! Auch die Bequemlichkeit ist entscheidend - je weniger wir sie verwalten und mit ihnen interagieren müssen, desto besser. Diese Grenzen spüren wir schon heute.

"Ich besitze eine Apple-Uhr, aber ich trage sie insgesamt nicht mehr als 20 Stunden pro Woche", sagt Dr. Alper Bozkurt, Professorin für Elektro- und Computertechnik an der NC State University. "Ein Grund dafür ist, dass ich die Uhr immer wieder aufladen muss, und ich vergesse sie immer wieder auf dem Ladegerät. Ich komme in mein Büro und sage: 'Oh Gott, ich habe meine Uhr vergessen.'"

Zukünftige Wearables werden "tragen und vergessen" sein, sagt Bozkurt. Man legt sie einfach an und sie tritt in den Hintergrund, ohne dass man sie aufladen oder auch nur darüber nachdenken muss.

Was wir sehen werden:

Intelligenter Schmuck

Elektronische Uhren und Ringe gibt es bereits, und es werden noch mehr intelligente Schmuckstücke (wie Ohrringe) folgen. Doch was die Akzeptanz bei den Verbrauchern angeht, so scheinen Uhren und Armbänder den größten Anreiz für den Stil zu bieten. Und angesichts ihrer Beliebtheit - laut dem Marktforschungs- und Beratungsunternehmen Gartner werden im Jahr 2021 fast 200 Millionen Stück ausgeliefert - sind die jährlichen Markteinführungen neuer Modelle sogar noch sinnvoller.

Mit der Weiterentwicklung der Weichelektronik könnten die am Handgelenk getragenen Geräte jedoch dünner werden und eines Tages wie ein um das Handgelenk gewickeltes Stück Klebeband aussehen, sagt Daniele.

Kleidung

Kleidung eignet sich in der Regel dazu, Elektronik und Sensoren an größeren Körperstellen anzubringen, sagt Jesse Jur, PhD, Direktor für Ökosystemtechnologie bei Advanced Functional Fabrics of America. Zum Beispiel ein Einthoven-Dreieck, das eindeutig ein Elektrokardiogramm-Signal liefern kann", sagt er und bezieht sich dabei auf die Standardplatzierung von Elektroden am Körper für ein EKG.

Dennoch kann die Überwachung aus einem sehr einfachen menschlichen Grund begrenzt sein, sagt Jur: Wir wechseln unsere Kleidung.

Viele Unternehmen konzentrieren sich auf Sportbekleidung. Athos führt intelligente Kleidungsstücke, die die Muskelaktivität während des Trainings erkennen. Sensoria Health bietet Oberteile an, die die Herzfrequenz messen, und Socken, die den Gang und den Fußauftritt messen.

Andere Anwendungen reichen vom Verbraucher bis zur klinischen Anwendung. Das in Montreal ansässige Unternehmen Hexoskin verkauft Hemden, die die Herzfrequenz und die Gesundheit der Atemwege überwachen. Das kalifornische Unternehmen Biotricity bietet einen Brustgurt mit seinem FDA-zugelassenen Herzüberwachungssystem für Herzpatienten an, und das aufstrebende Unternehmen Nanowear führt einen FDA-zugelassenen Gurt, der mehr als 85 Biomarker in Echtzeit misst.

Die heutigen intelligenten Kleidungsstücke enthalten in der Regel herausnehmbare Teile (Mikrocontroller, Batterie), aber mit dem Fortschritt in diesem Bereich könnten diese eines Tages in das Kleidungsstück integriert werden, sagt Jur. Sie werden auch waschbar sein.

Das Kleidungsstück hängt davon ab, was Sie messen wollen. Aber Kompression ist ein Muss, um Informationen aus dem Inneren des Körpers zu erhalten. Zu den Möglichkeiten gehören Hemden, Shorts, Unterwäsche, BHs, Stirnbänder, Schädeldecken und Armstulpen, sagt Jur, der auch Leiter der Forschungsabteilung für nanoerweiterte Textilien am Wilson College of Textiles des NC State ist.

Aufnäher

Viele Experten setzen nicht auf Uhren oder Kleidung, sondern auf eine neue Klasse von Wearables, die wie ein Aufkleber, ein Pflaster oder ein temporäres Tattoo auf der Haut haften. Obwohl Pflaster noch nicht weit verbreitet sind, versprechen sie eine größere technische Flexibilität bei der Konstruktion des Sensors oder der Hautschnittstelle, sagt Daniele.

Der bisher wohl größte Erfolg sind kontinuierliche Blutzuckermessgeräte wie das Freestyle Libre von Abbott und das Dexcom G6, die 10 bis 14 Tage lang getragen werden können, den Blutzucker alle paar Minuten messen und die Daten drahtlos an das Mobiltelefon übermitteln. Diese Geräte werden in der Regel am Bauch oder auf der Rückseite des Arms getragen. Sie arbeiten mit einem winzigen Sensor, der unter die Haut eingeführt wird, um den Glukosespiegel in der Zwischenzellflüssigkeit zu messen, also in der Flüssigkeit zwischen den Zellen.

Eine weitere Flüssigkeit, die sich als nützlich erweisen könnte: Schweiß. Forscher sind bereits in der Lage, den Glukose- und Milchsäuregehalt im Schweiß zu messen, und es wird daran gearbeitet, herauszufinden, was im Schweiß noch nützlich sein könnte.

Was werden zukünftige Wearables leisten?

Das Potenzial für neue weltweite Gesundheitsanwendungen ist enorm. In einigen Fällen können Wearables die Überwachung Ihrer Gesundheit erleichtern. Tauschen Sie beispielsweise ein Stethoskop gegen ein Brustpflaster oder einen sperrigen Holter-Monitor gegen ein bequemes Hemd aus. Benötigen Sie eine Laboruntersuchung? Verzichten Sie auf die Nadel und legen Sie stattdessen einen Schweiß- oder Zwischenzellflüssigkeitssensor an.

Andere Bereiche, an denen geforscht wird:

Sanfte, hautähnliche Sensoren. Dr. John Rogers, Professor für Materialwissenschaft und -technik, biomedizinische Technik und neurologische Chirurgie an der Northwestern University, hat bereits einen "sehr weichen, dünnen, flexiblen, hautähnlichen" drahtlosen Sensor entwickelt, der sehr sanft ist. Er ist so konzipiert, dass jeder davon profitieren kann, aber er schlägt vor, dass Frühgeborene auf der Intensivstation "am meisten profitieren könnten".

Bei diesen empfindlichen Patienten müssen die Vitalparameter ständig überwacht werden, was ein "Rattennest" aus Drähten und Klebeband bedeutet, erklärt er. Er und sein Team haben jedoch (über ihr Start-up-Unternehmen Sibel Health) drahtlose Überwachungssensoren entwickelt, die das empfindliche Fleisch des Babys schonen und einen gesunden Haut-zu-Haut-Kontakt mit der Mutter ermöglichen.

Da diese Sensoren wiederverwendbar sind und mit Smartphones zusammenarbeiten können, sind sie ideal für Entwicklungsländer, die sich keine teuren Überwachungsgeräte leisten können, sagt Rogers. Tausende von ihnen wurden bereits in Sambia, Ghana, Kenia, Indien, Pakistan und Mexiko eingesetzt.

"Die Sterblichkeitsrate von Neugeborenen in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen ist nach wie vor extrem hoch", sagt Dr. William Macharia, Kinderarzt an der Aga Khan University in Nairobi, Kenia, der das Gerät an etwa 250 neugeborenen Patienten auf der Intensivstation getestet hat. "Die meisten Todesfälle ereignen sich innerhalb der ersten 2 Wochen.

Mit diesem Gerät könnten Babys viel früher überwacht werden, wodurch Probleme früher erkannt und hoffentlich Leben gerettet werden könnten, sagt er.

Die Plattform, die von der FDA für die nicht-kritische Versorgung erwachsener Patienten zugelassen wurde, könnte in allen medizinischen Abteilungen Anwendung finden. Rogers erforscht auch Anwendungen für die Gesundheit von Müttern, Schlaganfallüberlebenden sowie Parkinson- und Alzheimer-Patienten. Eine Version kann auf Schlafapnoe testen und bringt das Schlaflabor praktisch zu Ihnen nach Hause.

Überwachung und Diagnose der psychischen Gesundheit. Bestimmte psychische Erkrankungen könnten mit Hilfe von Wearables, die z. B. Stresshormone messen, leichter behandelt werden. "Es besteht ein zunehmendes Interesse daran, den Cortisolspiegel beim Menschen zu messen", sagt Dr. Zhenan Bao, Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University.

Ärzte testen den Cortisolspiegel bereits über Blut, Speichel oder Urin. Mit einem Wearable könnte man jedoch - über die interstitielle Flüssigkeit oder den Schweiß - den Cortisolspiegel kontinuierlich messen, eine Grundlinie festlegen und verfolgen, ob sich der Stresspegel eines Patienten verbessert oder verschlechtert, sagt sie.

Darüber hinaus könnten diese Informationen mit anderen Messungen von Körperfunktionen wie Herzfrequenz und Hautleitwert kombiniert werden, um eine präzisere Diagnose und Behandlung zu ermöglichen, sagt Bao.

Medikamenteneinhaltung und -dosierung. Schweiß könnte sich als Schlüssel zur Medikamentenüberwachung erweisen, meint Dr. Jason Heikenfeld, Professor für Elektrotechnik an der Universität von Cincinnati. Wir werden nicht nur in der Lage sein zu wissen, ob eine Person ein Medikament eingenommen hat, sondern Ärzte können auch überwachen, wie schnell jede Person das Medikament verstoffwechselt. Auf diese Weise können Ärzte maßgeschneiderte Dosierungen verschreiben, die Nebenwirkungen verringern und die Wirksamkeit der Medikamente erhöhen.

"Es wird die Steinzeit sein", sagt Heikenfeld über die heutige Zeit. "Es wird so sein, als ob Sie in einen Laden gehen und Ihre 85-jährige Großmutter, die 95 Pfund wiegt, und Sie, der 32 und übergewichtig ist, die gleiche Flasche X bekommen, auf der steht: 'Nehmen Sie alle vier Stunden so viel bis zu dieser Dosis'. Das macht doch keinen Sinn."

Und so viel mehr. Misra und ihr Team im ASSIST-Zentrum entwickeln Sensoren zur Messung der Luftqualität, mit denen wir möglicherweise die Gesundheit der Atemwege vorhersagen können. Andere Geräte könnten den menschlichen Geruch messen - flüchtige Stoffe in der Atemluft werden mit Krebs in Verbindung gebracht - und so z. B. feststellen, ob ein Krebspatient in Remission ist, sagt Misra. Die Verfolgung des Verhaltens älterer Menschen könnte helfen, Veränderungen im Denkvermögen oder im Gedächtnis zu erkennen.

"Wearables werden mehr und mehr zu einem Prädiktor für die Gesundheit werden", sagt Misra. Wenn wir Zustände vorhersagen oder Krankheiten frühzeitig erkennen können, können wir früher eingreifen und bessere Gesundheitsergebnisse erzielen.

Mit der zunehmenden Akzeptanz dieser Geräte werden sie von der Gesundheitsfürsorge in den Bereich der Verbraucher-Wellness übergehen und nicht nur die medizinischen Ergebnisse verbessern, sondern auch den Lebensstil auf breiter Basis ändern, sagt Daniele.

"Und dann ist da noch der blaue Himmel", sagt er. "Wenn jeder ein Gerät trägt, das etwas misst, können wir dann Dinge wie die Analyse der Gesundheit der Bevölkerung in Angriff nehmen? Oder könnten wir die Ausbreitung von Infektionskrankheiten strategisch besser verhindern?

Doch auch wenn die Labors vor Demonstrationen nur so strotzen, wirft der Übergang ins wirkliche Leben Fragen auf: Werden die Menschen die tragbaren Geräte tragen? Werden diese Geräte hochwertige Daten liefern? Wie werden diese Daten im Vergleich zu unseren derzeitigen Goldstandards in der Medizin abschneiden?

Misra ist optimistisch. Sie prognostiziert eine ernsthafte Entwicklung von Wearables im klinischen und kommerziellen Bereich innerhalb von 5 Jahren.

Schließlich haben sich viele von uns bereits daran gewöhnt, dass wir Datenerfassungsgeräte an uns oder um uns herum tragen. Das bedeutet, dass die Zukunft der Gesundheits- und Medizintechnik in vielerlei Hinsicht bereits da ist und am Handgelenk getragen wird ... und nur noch auf ein Upgrade wartet.