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May 17, 2023

Graphen-Tattoos messen kontinuierlich den Blutdruck

Die Blutdruckmessung hat sich seit der Erfindung kaum verändert

Bei der Blutdruckmessung hat sich seit der Erfindung des aufblasbaren Blutdruckmessgeräts mit Manschette im Jahr 1881 nicht viel verändert. Menschen können das Gerät mehrmals am Tag verwenden, um Messwerte zu ermitteln, aber das reicht nicht aus, um einen ganzheitlichen Überblick über die Herz-Kreislauf-Gesundheit zu erhalten.

Neue elektronische Tattoos aus Graphen messen tagelang kontinuierlich den Blutdruck. Die ultradünnen Lichtsensoren könnten es ermöglichen, den Blutdruck eines Patienten zu überwachen, während er seinen täglichen Aktivitäten nachgeht.

„Blutdruck ist ein wirklich wichtiges Vitalzeichen“, sagt Roozbeh Jafari, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Texas A&M University. „Stress kann töten. Stress führt zu Veränderungen des Blutdrucks, aber wir haben keine Möglichkeit, ihn zu messen oder zu verstehen. Wenn es also eine Technologie zur kontinuierlichen Messung des Blutdrucks gibt, ist das ein Game Changer.“

Menschen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Bluthochdruck müssen ihren Blutdruck regelmäßig überwachen. Um dies unauffällig zu tun, haben Forscher in den letzten Jahren manschettenlose Methoden entwickelt. Einige verlassen sich auf tragbare akustische Sensoren, die Veränderungen in den Ultraschallsignalen messen, die sich durch das Gewebe ausbreiten, oder auf Drucksensoren, die die Erweiterung von Blutgefäßen im Handgelenk erkennen können. Diese sind sperrig und können sich bewegen, wodurch die gemessenen Signale verfälscht werden.

Lichtbasierte Sensoren, wie sie in Fitnessbändern und Smartwatches verbaut sind, können die Herzfrequenz anhand von Kapillaren in der Haut präzise messen, allerdings dringt das Licht nicht tief genug ein, um die Blutdruckwelle zu erkennen.

Der neue Blutdrucksensor nutzt elektronische Graphen-Tätowierungssensoren, die 2017 von Deji Akinwande, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der University of Texas in Austin, erfunden wurden. Jafari und Akinwande arbeiteten an den neuen Graphen-Blutdrucksensoren zusammen, über die sie in Nature Nanotechnology berichteten.

Um die Tätowierungen herzustellen, lassen die Forscher eine oder zwei Schichten Graphen auf Kupferfolie wachsen, beschichten sie mit einer ultradünnen, 200 Nanometer dicken Acrylschicht und übertragen sie auf handelsübliches temporäres Tätowierungspapier. Dank der atomaren Dicke von Graphen passen sich die Pflaster wirklich gut an die Haut an, sagt Akinwande, so dass sie ohne Klebstoffe haften und an Ort und Stelle bleiben. Außerdem spürt der Träger sie nicht.

In einer Prototypenversion des kontinuierlichen Blutdrucküberwachungssystems werden Kupferfoliensegmente an ein Handgelenk geklebt. Die Bildbeschriftungen identifizieren die Arteria radialis und die Arteria ulnaris der Person sowie die Stellen für die „Injektion“ (Einführung) eines Wechselstromsignals mit niedrigem Pegel. University of Texas in Austin/Texas A&M University/Nature Nanotechnology

Um den Blutdruck zu bestimmen, messen die Forscher mithilfe der Graphensensoren die Bioimpedanz – die elektrische Impedanz des Stromflusses durch das Gewebe. Sie befestigen zwei Reihen mit jeweils sechs Graphen-Tattoos am Handgelenk eines Teilnehmers. Jede Reihe wird direkt über einer der beiden Hauptarterien im Handgelenk platziert. Die äußersten Patches in jeder Reihe senden kleine elektrische Ströme in den Arm, und die inneren vier Patches messen Spannungsänderungen, was bei der Berechnung der Impedanz hilft.

Laut Jafari spiegelt die Impedanz die Veränderung des Blutvolumens in den Arterien wider, lässt sich jedoch nicht direkt auf den Blutdruck übertragen. Deshalb entwickelte das Team einen Algorithmus für maschinelles Lernen, um den Blutdruck auf der Grundlage mehrerer verschiedener Parameter genau abzuschätzen, darunter die Änderung des Blutvolumens, die Laufzeit des Druckimpulses zwischen zwei Stellen, die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen der Impulse an den beiden Arterien und die elastische Eigenschaften der Arterien.

Zur Demonstration setzten die Forscher die Graphensensoren an sieben menschlichen Teilnehmern an und maßen den Blutdruck, während die Freiwilligen aktive Übungen durchführten. Um die Genauigkeit zu bestimmen, verglichen sie die Messwerte mit regelmäßigen Messungen, die mit der Goldstandard-Blutdruckmanschettentechnik durchgeführt wurden.

Einige Teilnehmer unternahmen draußen bei 38 °C einen anstrengenden Spaziergang, andere machten Liegestütze. Die Tätowierungen verschlechterten sich nicht, nachdem sie Licht und Hitze oder Kontakt mit Wasser oder Schweiß ausgesetzt wurden. Die Forscher konnten den Blutdruck fünf Stunden lang kontinuierlich überwachen. Eine längere Überwachung sei problemlos möglich, sagt Jafari, da die Tätowierungen sieben Tage halten.

Dieser Sensor der ersten Generation ist verkabelt. Spannungsdaten gelangen über Metalldrähte von den Tätowierungen zur Ausleseelektronik. Aber Akinwande sagt, dass sie als nächstes planen, einen drahtlosen Sensor zu entwickeln. „Dazu müssten wir einen Chip entwickeln, der Daten drahtlos sendet“, sagt er.