Ingenieure der Northwestern University haben ein kleines, drahtloses Polygraphensystem entwickelt, das man am Körper tragen kann.
Anders als die in Krimiserien verwendeten Lügendetektoren ist diese tragbare Version nicht darauf ausgelegt, Lügen zu erkennen. Stattdessen wurde sie von Ingenieuren und Ärzten entwickelt, um tief im Körper verborgenen Stress zu erfassen – ein Verhörraum ist nicht nötig.
Das leichte, bandagenartige Gerät haftet sanft auf der Brust und misst gleichzeitig Herzaktivität, Atmung, Schweißreaktion, Durchblutung und Temperatur. Zusammen ergeben diese Signale ein Echtzeitbild des gesamten Körperzustands im Hinblick auf Stress.
Durch die kontinuierliche Erfassung mehrerer physiologischer Signale gleichzeitig könnte das Gerät Ärzten helfen, Stress und potenzielles Unbehagen bei Patienten – einschließlich Säuglingen oder älteren Menschen – zu erkennen, die möglicherweise nicht in der Lage sind, sich mitzuteilen, Schlafstörungen ohne umständliche Laborgeräte zu diagnostizieren, die psychische Gesundheit im Laufe der Zeit zu überwachen und sogar frühe Warnzeichen medizinischer Komplikationen zu erkennen.
Die Studie wird am Mittwoch (13. Mai) in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht .
„Manchmal zeigt der Körper Stressanzeichen, bevor man sich dessen bewusst ist“, sagte John A. Rogers von der Northwestern University , der die Geräteentwicklung leitete. „Selbst wenn Menschen den Druck, unter dem sie stehen, nicht erkennen, beeinträchtigt Stress unbemerkt ihre Gesundheit. Anhaltender Stress kann schwerwiegende Folgen haben, insbesondere für Schwangere, Kinder und schwerkranke Patienten. Die Möglichkeit, Stress anhand quantitativer Messungen zu erfassen, könnte Menschen befähigen, stressabbauende Maßnahmen zu ergreifen, die ihrer Gesundheit direkt zugutekommen. Wichtig war uns dabei, ein Gerät zu entwickeln, das – ähnlich einem Lügendetektor – auf der Grundlage biophysikalischer Körperreaktionen arbeitet, ohne auf chemische Biomarker in Körperflüssigkeiten zugreifen zu müssen.“
Rogers, ein weltweit anerkannter Pionier der Bioelektronik, ist Louis Simpson und Kimberly Querrey Professor für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik, Biomedizintechnik und Neurochirurgie an der Northwestern University. Dort ist er auch an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine tätig . Zudem leitet er das Querrey Simpson Institute for Bioelectronics und das Querrey Simpson Institute for Translational Engineering and Advanced Medical Systems . Rogers ist neben Dr. Debra E. Weese-Mayer , Beatrice Cummings Mayer Professorin für Pädiatrische Autonome Medizin und Professorin für Pädiatrie (Neurologie) an der Feinberg School of Medicine, sowie Jae-Young Yoo von der Sungkyunkwan University in Korea Koautor der Studie.
Eine Stimme für die Schwachen
Das Projekt begann auf Anfrage von Kinderärzten des Ann & Robert H. Lurie Kinderkrankenhauses in Chicago . Rogers‘ Team hat im Laufe der Jahre eine Reihe drahtloser, tragbarer Elektronikgeräte für Säuglinge und Kinder entwickelt – zur Überwachung von Vitalfunktionen , zur Krankheitsüberwachung , zur Behandlung angeborener Erkrankungen und zur Diagnose von Krankheiten . Nun baten die Kinderärzte Rogers, ein weiches, nicht-invasives Gerät zu entwickeln, das den Stresspegel von Säuglingen während des gesamten Krankenhausaufenthalts erkennt und kontinuierlich überwacht, ohne dabei biochemische Stressmarker in Speichel und Blut zu messen.
Die Erkennung von Stress bei Säuglingen beruht derzeit oft auf dem, was Betreuungspersonen sehen und hören können – Weinen, Gesichtsausdruck und Bewegungen – sowie auf grundlegenden Vitalfunktionen. Diese Signale können jedoch subtil, unbeständig oder sogar völlig fehlen.
„Stress wird häufig mithilfe von Fragebögen und pflegerischen Beurteilungen erfasst“, sagte Rogers. „Dabei werden unter anderem Tonfall und Lautstärke des Schreiens dokumentiert. Säuglinge können ihre Schmerzen natürlich nicht selbst beschreiben. Daher ist es, anders als bei Erwachsenen, äußerst schwierig, Stress bei Babys zu bestimmen. Wir wollten die Subjektivität aus diesen Beurteilungen herausnehmen.“
„Dieses neue Gerät erfasst rund um die Uhr die Stresssignale des Körpers und hilft so, die tägliche Dauer und Intensität des Stresses zu quantifizieren“, erklärte Weese-Mayer, Rogers’ langjährige Mitarbeiterin. „Der große Vorteil des Geräts liegt darin, dass sowohl Privatpersonen als auch medizinisches Fachpersonal Stress erkennen und die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Stressreduktion und Wiederherstellung eines gesunden Gleichgewichts objektiv und völlig nicht-invasiv überwachen können.“
All-in-One-Stresserkennung
Um dies zu erreichen, fanden Rogers und sein Team Inspiration an einem unerwarteten Ort: Polygraphen. Obwohl sie umgangssprachlich als „Lügendetektoren“ bezeichnet werden, erkennen Polygraphen tatsächlich keine Lügen. Sie messen die Körperreaktion auf Stress, der durch viele Faktoren neben Täuschung ausgelöst werden kann. Rogers erkannte die Chance, auf dieser Grundidee aufzubauen. Doch während herkömmliche Polygraphen auf einer Vielzahl sperriger, verkabelter Sensoren basieren, zielte Rogers darauf ab, dieselben physiologischen Signale – und darüber hinaus – in einer umfassenderen, vollständig integrierten, präziseren und tragbaren Form zu erfassen.
Die daraus entstandene Technologie vereint mehrere winzige Sensoren in einem einzigen, flexiblen Gerät. Diese Sensoren erfassen kontinuierlich verschiedene physiologische Signale, die alle auf Stressreaktionen des Körpers reagieren. Ein integrierter Bewegungssensor und ein Miniaturmikrofon fangen feinste mechanische und akustische Signale von Herz und Lunge auf. Weitere Sensoren messen die Hauttemperatur und den Wärmefluss in Verbindung mit der oberflächennahen Durchblutung. Ein weiterer Sensor misst Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit der Haut, die durch die Aktivität der Schweißdrüsen verursacht werden – ein bekannter Stressindikator.
„Stress zu messen ist eine komplexe Aufgabe, da er multidimensional ist“, sagte Rogers. „Es ist nicht möglich, Stress zuverlässig zu bestimmen, indem man nur ein, zwei oder selbst drei oder vier Parameter misst. Eine Vielzahl von Faktoren ist notwendig. Deshalb haben wir so viele Sensoren für physiologische Prozesse wie möglich in diese Geräteplattform integriert und dabei gleichzeitig eine kompakte Größe und ein geringes Gewicht beibehalten sowie den Zugriff auf Körperflüssigkeiten vermieden.“
Das System überträgt diese synchronisierten Datenströme drahtlos an ein Smartphone, eine Smartwatch oder ein Tablet, wo Algorithmen des maschinellen Lernens stressbedingte Muster in Echtzeit analysieren. Das Gerät wiegt weniger als 8 Gramm (entspricht etwa acht Büroklammern) und ist so konzipiert, dass es sich den natürlichen Bewegungen der Haut anpasst. Es kann über 24 Stunden lang ununterbrochen betrieben werden.
In realistischen Szenarien bewährt
Nach der Entwicklung des Systems validierte Rogers‘ Team es in einer Vielzahl von Szenarien, darunter kontrollierte Experimente und reale Umgebungen. Bei simulierten Lügendetektortests erfasste das tragbare Gerät präzise Stressreaktionen, die durch sensible Fragen ausgelöst wurden, und lieferte Messwerte, die weitgehend mit denen kommerzieller Polygraphensysteme übereinstimmten.
Bei kognitiven Tests, wie beispielsweise dem Sprachverstehen in lauter Umgebung, erfasste das Gerät deutliche Anstiege stressbedingter Signale mit zunehmendem Schwierigkeitsgrad der Aufgaben. Die Ergebnisse stimmten mit gleichzeitig durchgeführten, unabhängigen Messungen der Pupillenerweiterung überein, einer gängigen Methode zur Stressbestimmung.
In einem weiteren Experiment tauchten Studienteilnehmer ihre Hände in eiskaltes Wasser, und das System erfasste koordinierte Veränderungen der Herzaktivität, des Atemmusters, der Schweißreaktion und der Temperatursignale. In Schlafstudien mit Kindern identifizierte das tragbare Gerät wichtige klinische Ereignisse, darunter Atemunregelmäßigkeiten und nächtliches Erwachen, mit einer Genauigkeit, die mit stationären Schlafuntersuchungen vergleichbar ist, jedoch mit deutlich weniger Störungen.
Und schließlich zeigte das Gerät bei Übungen in der Notaufnahme mit Medizinstudierenden ein auffälliges Muster. Teilnehmer mit stärkeren Stressreaktionen schnitten tendenziell schlechter ab, was darauf hindeutet, dass Stress die Entscheidungsfindung in Drucksituationen beeinträchtigen kann.
„Letztendlich könnte das Gerät eine Warnung an den Nutzer oder eine Pflegeperson senden, sobald der Stresspegel einen bestimmten Grenzwert erreicht“, sagte Rogers. „Viele Menschen unterschätzen möglicherweise ihr Stressniveau und merken nicht, dass es ihre Leistungsfähigkeit beeinträchtigt.“
Was kommt als Nächstes?
Als nächstes will das Team seine Technologie über Validierungsstudien hinaus in den breiteren klinischen Einsatz überführen. Zu den nächsten Schritten gehören die Erprobung des Geräts an größeren Patientengruppen, die Optimierung der personalisierten Stresserkennung und die Integration in stationäre und häusliche Überwachungssysteme, um kontinuierliche Echtzeit-Einblicke in den Gesundheitszustand der Patienten zu ermöglichen.
Rogers prüft außerdem Möglichkeiten, das Gerät mit weiteren Sensoren auszustatten, darunter auch Sensoren zur Messung der Hirnaktivität. Die Integration eines Elektroenzephalogramms (EEG) würde es dem Gerät ermöglichen, über die reine Messung der körperlichen Stressreaktion hinaus zu erfassen, wie das Gehirn diesen Stress wahrnimmt. Dies könnte Wissenschaftlern helfen, Stress besser von Schmerz zu unterscheiden – selbst im häuslichen Umfeld – und zu verstehen, wie Stress im Kontext der gleichzeitig aufgezeichneten Stressbiomarker erlebt wird.
„Wir leben in stressigen Zeiten, in denen es an ausreichenden Maßnahmen zur proaktiven Stresserkennung mangelt“, sagte Weese-Mayer. „Indem wir Stress – ob umweltbedingt oder krankheitsbedingt – frühzeitig erkennen, können wir eingreifen, bevor seine Auswirkungen irreversibel werden.“
Die Studie mit dem Titel „Drahtloses, auf der Haut angebrachtes multimodales Sensorsystem zur kontinuierlichen psychophysiologischen Überwachung – ein tragbares Polygraphengerät“ wurde vom Querrey Simpson Institute for Bioelectronics unterstützt.
