Des chercheurs de l'Université du Nord-Ouest présentent un stéthoscope portable sans fil pour la surveillance continue des signes vitaux

Les premiers wearables du genre captent les sons corporels pour surveiller la santé en continu
Les nouveaux dispositifs ont été testés sur une série de patients, des bébés prématurés aux personnes âgées

Date de publication : 16 novembre 2023

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Des battements de cœur aux gargouillis d'estomac, les sons contiennent d'importantes informations sur la santé
De nouveaux dispositifs sans fil se posent sur la peau pour capter les sons en continu, puis transmettent les données en temps réel aux smartphones ou aux tablettes
Les dispositifs séparent les sons à l'intérieur du corps du bruit ambiant à l'extérieur du corps
Dans des études pilotes, les dispositifs ont suivi avec précision les sons associés à la fonction cardiorespiratoire, à l'activité gastro-intestinale, à la déglutition et à la respiration
Les dispositifs sont particulièrement précieux pour les bébés prématurés, qui peuvent souffrir d'apnées et de complications gastro-intestinales, qui s'accompagnent de bruits

EVANSTON, Ill. - Lors des visites les plus routinières, les médecins écoutent les sons à l'intérieur du corps de leurs patients - l'air qui entre et sort des poumons, les battements du cœur et même les aliments digérés qui progressent dans le long tractus gastro-intestinal. Ces sons fournissent des informations précieuses sur la santé d'une personne. Et lorsque ces sons changent subtilement ou s'arrêtent carrément, cela peut signaler un problème grave qui justifie une intervention rapide.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'université Northwestern présentent de nouveaux dispositifs portables souples et miniaturisés qui vont bien au-delà des mesures épisodiques obtenues lors d'examens médicaux occasionnels. Doucement collés à la peau, ces dispositifs suivent en continu ces sons subtils, simultanément et sans fil, en de multiples endroits de la quasi-totalité du corps.

La nouvelle étude a été publiée aujourd'hui (16 novembre) dans la revue Nature Medicine.

Dans le cadre d'études pilotes, les chercheurs ont testé les appareils sur 15 bébés prématurés souffrant de troubles de la motilité respiratoire et intestinale et sur 55 adultes, dont 20 souffrant de maladies pulmonaires chroniques. Non seulement les appareils ont donné des résultats d'une précision de niveau clinique, mais ils ont également offert de nouvelles fonctionnalités qui n'avaient jamais été développées ni introduites dans la recherche ou les soins cliniques.

"À l'heure actuelle, il n'existe aucune méthode de surveillance continue et de cartographie spatiale des sons corporels à domicile ou en milieu hospitalier", explique John A. Rogers, pionnier de la bioélectronique à l'université Northwestern, qui a dirigé le développement de l'appareil. "Les médecins doivent placer un stéthoscope conventionnel ou numérique sur différentes parties de la poitrine et du dos pour écouter les poumons point par point. En étroite collaboration avec nos équipes cliniques, nous avons cherché à mettre au point une nouvelle stratégie pour surveiller les patients en temps réel, de manière continue et sans les inconvénients associés à une technologie rigide, câblée et encombrante

"L'idée sous-jacente à ces dispositifs est de fournir une évaluation continue et très précise de la santé des patients, puis de prendre des décisions cliniques dans les cliniques ou lorsque les patients sont admis à l'hôpital ou attachés à des ventilateurs", a déclaré le Dr Ankit Bharat, chirurgien thoracique à Northwestern Medicine, qui a dirigé la recherche clinique sur les sujets adultes. "L'un des principaux avantages de cet appareil est qu'il permet d'écouter et de comparer simultanément différentes régions des poumons. En d'autres termes, c'est comme si 13 médecins hautement qualifiés écoutaient simultanément différentes régions des poumons avec leurs stéthoscopes, et que leurs esprits étaient synchronisés pour créer une évaluation continue et dynamique de la santé des poumons qui se traduit par un film sur un écran d'ordinateur réel"

M. Rogers est titulaire de la chaire Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et d'ingénierie des matériaux, d'ingénierie biomédicale et de chirurgie neurologique à la McCormick School of Engineering et à la Feinberg School of Medicine de l'université Northwestern. Il dirige également le Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Bharat est le chef de la chirurgie thoracique et le professeur de chirurgie Harold L. et Margaret N. Method à la Feinberg School of Medicine. En tant que directeur du Northwestern Medicine Canning Thoracic Institute, Bharat a réalisé les premières transplantations pulmonaires doubles sur des patients atteints de COVID-19 aux États-Unis et a lancé un programme de transplantation pulmonaire, le premier du genre, pour certains patients atteints d'un cancer du poumon de stade 4.

Réseau de détection complet et non invasif

Contenant des paires de microphones et d'accéléromètres numériques de haute performance, ces petits dispositifs légers adhèrent délicatement à la peau pour créer un réseau de détection complet et non invasif. En captant simultanément les sons et en les mettant en corrélation avec les processus corporels, les appareils cartographient dans l'espace la manière dont l'air entre, traverse et sort des poumons, ainsi que les changements du rythme cardiaque dans divers états de repos et d'activité, et la manière dont les aliments, les gaz et les liquides se déplacent dans les intestins.

Encapsulé dans du silicone souple, chaque dispositif mesure 40 millimètres de long, 20 millimètres de large et 8 millimètres d'épaisseur. Dans ce petit espace, le dispositif contient une mémoire flash, une minuscule batterie, des composants électroniques, des capacités Bluetooth et deux minuscules microphones - l'un orienté vers l'intérieur du corps et l'autre vers l'extérieur. En captant les sons dans les deux directions, un algorithme peut séparer les sons externes (ambiants ou provenant d'organes voisins) des sons internes du corps.

"Les poumons ne produisent pas assez de sons pour qu'une personne normale puisse les entendre", explique M. Bharat. "Ils ne sont tout simplement pas assez bruyants, et les hôpitaux peuvent être des endroits bruyants. Lorsqu'il y a des gens qui parlent à proximité ou des machines qui émettent des bips, cela peut être incroyablement difficile. Un aspect important de notre technologie est qu'elle peut corriger ces sons ambiants"

La capture des bruits ambiants permet non seulement d'annuler le bruit, mais aussi de fournir des informations contextuelles sur l'environnement des patients, ce qui est particulièrement important pour le traitement des bébés prématurés.

"Indépendamment de l'emplacement de l'appareil, l'enregistrement continu de l'environnement sonore fournit des données objectives sur les niveaux de bruit auxquels les bébés sont exposés", a déclaré le Dr Wissam Shalish, néonatologiste à l'Hôpital de Montréal pour enfants et coauteur de l'article. "Il offre également des possibilités immédiates de remédier à toute source de stimuli auditifs stressants ou potentiellement compromettants."

Surveillance discrète de la respiration des bébés

Lorsqu'ils ont mis au point ces nouveaux dispositifs, les chercheurs avaient à l'esprit deux communautés vulnérables : les bébés prématurés dans les unités de soins intensifs néonatals (USIN) et les adultes après une intervention chirurgicale. Au cours du troisième trimestre de la grossesse, le système respiratoire des bébés arrive à maturité, ce qui leur permet de respirer en dehors de l'utérus. Les bébés nés avant ou au début du troisième trimestre sont donc plus susceptibles de développer des problèmes pulmonaires et des complications liées à des troubles respiratoires.

Particulièrement fréquentes chez les prématurés, les apnées sont une cause majeure d'hospitalisation prolongée, voire de décès. En cas d'apnée, le nourrisson ne respire pas (en raison de l'immaturité des centres respiratoires du cerveau) ou présente une obstruction des voies respiratoires qui limite la circulation de l'air. Certains bébés peuvent même présenter une combinaison des deux. Pourtant, il n'existe actuellement aucune méthode permettant de surveiller en continu le débit d'air au chevet du patient et de distinguer avec précision les sous-types d'apnée, en particulier chez les nourrissons les plus vulnérables de l'unité de soins intensifs néonatals cliniques.

"Beaucoup de ces bébés sont plus petits qu'un stéthoscope, ils sont donc déjà techniquement difficiles à surveiller", a déclaré le Dr Debra E. Weese-Mayer, co-auteur de l'étude, chef de la médecine autonome à l'hôpital pour enfants Ann & Robert H. Lurie de Chicago et professeur Beatrice Cummings Mayer de médecine autonome à l'hôpital Feinberg. "L'intérêt de ces nouveaux dispositifs acoustiques est qu'ils permettent de surveiller un bébé de manière non invasive et continue - pendant l'éveil et le sommeil - sans le déranger. Ces dispositifs acoustiques portables permettent de déterminer en toute sécurité et de manière non intrusive la "signature" de chaque nourrisson en ce qui concerne les mouvements de l'air (entrée et sortie des voies respiratoires et des poumons), les bruits du cœur et la motilité intestinale, jour et nuit, en tenant compte de la rythmicité circadienne. Ces appareils surveillent simultanément le bruit ambiant susceptible d'affecter la "signature" acoustique interne et/ou d'introduire d'autres stimuli susceptibles de nuire à une croissance et à un développement sains

Dans le cadre d'études menées en collaboration à l'Hôpital de Montréal pour enfants au Canada, des professionnels de la santé ont placé les dispositifs acoustiques sur des bébés, juste en dessous de l'échancrure suprasternale, à la base de la gorge. Les appareils ont détecté avec succès la présence de flux d'air et de mouvements thoraciques et ont pu estimer le degré d'obstruction du flux d'air avec une grande fiabilité, permettant ainsi l'identification et la classification de tous les sous-types d'apnée.

"Lorsqu'ils sont placés sur l'échancrure suprasternale, l'amélioration de la capacité à détecter et à classer les apnées pourrait conduire à des soins plus ciblés et personnalisés, à de meilleurs résultats et à une réduction de la durée de l'hospitalisation et des coûts", a déclaré M. Shalish. "Lorsqu'il est placé sur le thorax droit et gauche des bébés gravement malades, le retour d'information en temps réel transmis chaque fois que l'entrée d'air est réduite d'un côté par rapport à l'autre pourrait rapidement alerter les cliniciens d'une éventuelle pathologie nécessitant une intervention immédiate."

Suivi de la digestion du nourrisson

Chez les enfants et les nourrissons, les problèmes cardiorespiratoires et gastro-intestinaux sont les principales causes de décès au cours des cinq premières années de vie. Les problèmes gastro-intestinaux, en particulier, s'accompagnent d'une diminution des bruits intestinaux, qui pourrait être utilisée comme un signe d'alerte précoce de problèmes de digestion, de dysmotilité intestinale et d'obstructions potentielles. Dans le cadre de l'étude pilote menée dans l'unité de soins intensifs néonatals, les chercheurs ont donc utilisé les dispositifs pour surveiller ces bruits.

Dans le cadre de l'étude, les prématurés ont porté des capteurs à quatre endroits de leur abdomen. Les premiers résultats ont été comparés aux mesures de la motilité intestinale chez l'adulte à l'aide de systèmes filaires, ce qui constitue la norme actuelle en matière de soins.

"Lorsqu'ils sont placés sur l'abdomen, la détection automatique de bruits intestinaux réduits pourrait alerter le clinicien de l'imminence d'une complication gastro-intestinale (parfois mortelle)", a déclaré M. Shalish. "En revanche, l'amélioration des bruits intestinaux peut indiquer des signes de rétablissement de l'intestin, en particulier après une intervention chirurgicale gastro-intestinale

"La motilité intestinale a ses propres schémas acoustiques et ses propres qualités tonales", explique Mme Weese-Mayer. une fois que la "signature" acoustique d'un patient est caractérisée, les écarts par rapport à cette signature personnalisée peuvent potentiellement alerter l'individu et l'équipe soignante d'un mauvais état de santé imminent, alors qu'il est encore temps d'intervenir pour rétablir la santé

En plus d'offrir une surveillance continue, les dispositifs ont également permis de libérer les bébés de l'unité de soins intensifs néonatals des divers capteurs, fils et câbles connectés aux moniteurs de chevet.

Cartographie d'une seule respiration

Parallèlement à l'étude sur l'unité de soins intensifs néonatals, les chercheurs ont testé les appareils sur des patients adultes, dont 35 adultes souffrant de maladies pulmonaires chroniques et 20 témoins en bonne santé. Chez tous les sujets, les appareils ont capté la distribution des sons pulmonaires et des mouvements du corps à différents endroits simultanément, ce qui a permis aux chercheurs d'analyser une seule respiration dans toute une série de régions des poumons.

"En tant que médecins, nous ne comprenons souvent pas le fonctionnement d'une région spécifique des poumons", a déclaré Bharat. "Grâce à ces capteurs sans fil, nous pouvons capturer différentes régions des poumons et évaluer leurs performances spécifiques ainsi que les performances de chaque région les unes par rapport aux autres

En 2020, les maladies cardiovasculaires et respiratoires ont coûté la vie à près de 800 000 personnes aux États-Unis, ce qui en fait les première et troisième causes de décès chez les adultes, selon les Centers for Disease Control and Prevention. Dans le but de guider les décisions cliniques et d'améliorer les résultats, les chercheurs espèrent que leurs nouveaux dispositifs permettront de réduire ces chiffres et de sauver des vies.

"Les poumons peuvent émettre toutes sortes de sons, y compris des craquements, des sifflements, des ondulations et des hurlements", explique M. Bharat. "C'est un micro-environnement fascinant. En surveillant continuellement ces sons en temps réel, nous pouvons déterminer si la santé des poumons s'améliore ou se dégrade et évaluer dans quelle mesure un patient réagit à un médicament ou à un traitement particulier. Nous pouvons alors personnaliser les traitements en fonction des patients L'étude, intitulée "Wireless broadband acousto-mechanical sensors as body area networks for continuous physiological monitoring", a bénéficié du soutien de l'Institut Querrey-Simpson pour la bioélectronique de l'université Northwestern. Les coauteurs de l'article sont Jae-Young Yoo de Northwestern, Seyong Oh de l'université Hanyang en Corée et Wissam Shalish du Centre universitaire de santé McGill.