Învățarea automată bazată pe fizică permite monitorizarea continuă a tensiunii arteriale fără manșon
Tensiunea arterială este un indicator esențial al sănătății cardiovasculare, însă metodele standard de măsurare se bazează pe citiri ocazionale cu manșoane umflate, de obicei, realizate în medii clinice.
Dispozitivele actuale de monitorizare a tensiunii arteriale sunt voluminoase, incomode și oferă doar citiri atunci când utilizatorul este într-o poziție statică.
Acum, o echipă interdisciplinară de matematicieni și ingineri de la Universitatea din Utah și Universitatea din Illinois, Chicago, abordează această provocare prin combinarea fizicii cu inteligența artificială, pentru a depăși unele dintre limitările dispozitivelor existente. Studiul lor, care va apărea în curând în Nature Communications, descrie un nou smartwatch purtabil capabil să măsoare atât tensiunea arterială, cât și fluxul sanguin în mod continuu, fără a necesita un manșon.
„Tensiunea arterială crescută este considerată ucigașul tăcut, deoarece duce la atacuri de cord, anevrisme și accidente vasculare cerebrale. Reprezintă o povară globală pentru sistemul de sănătate și este considerată o problemă de tip Graal sacru”, a afirmat Benjamin Sanchez Terrones, care a inițiat proiectul acum câțiva ani în calitate de profesor asistent de inginerie electrică și informatică la Universitatea din Utah. Tehnologia funcționează prin măsurarea proprietăților electrice ale sângelui pe măsură ce acesta curge prin artera de la încheietura mâinii, fluctuațiile acestor proprietăți corespunzând modificărilor tensiunii arteriale.
Universitatea din Utah deține proprietatea intelectuală asociată acestei tehnologii, bazată pe învățarea automată informată de fizică, iar biroul de licențiere a tehnologiilor al universității explorează în prezent oportunitățile de licențiere pentru a aduce această invenție pe piață.
În contrast cu dispozitivele comerciale care utilizează lumină pentru a estima tensiunea arterială, tehnologia lui Sanchez Terrones folosește un curent electric imperceptibil și nedureros.
Dispozitivul înregistrează schimbări electrice minuscule la nivelul încheieturii utilizând bioimpedanța, o măsură a cât de ușor curge electricitatea prin sânge și țesuturi. Deoarece fluxul sanguin se schimbă cu fiecare bătaie a inimii, aceste semnale electrice transportă informații despre tensiunea arterială subiacente.
Această lucrare demonstrează modul în care combinarea învățării automate cu fizica poate schimba fundamental ceea ce este posibil. Prin integrarea principiilor fizice direct în model, putem depăși predicțiile de tip black-box, ajungând la sisteme mai precise, mai interpretabile și mai aplicabile în sănătatea reală.
Tehnologia îmbină dinamica fluidelor (modul în care curge sângele) cu electromagnetismul, oferindu-i o bază științifică clară și îmbunătățind fiabilitatea. Modelul codifică fizica fluxului de sânge pulsatoriu și electromagnetismul măsurării bioimpedanței, astfel încât rețeaua nu va prezice ceva care este fizic imposibil.
Rezultatul este un dispozitiv purtabil capabil să urmărească sănătatea cardiovasculară în mod continuu, atât în repaus, cât și în activitate, fără a necesita calibrarea pentru fiecare utilizator.
Studenții absolvenți ai Universității din Utah, Henry Crandall, Tyler Schuessler și Filip Bělík, au jucat un rol esențial în testarea dispozitivului pe 150 de persoane, inclusiv pacienți din unități de terapie intensivă și în ambulatoriu. „Am depus eforturi suplimentare și am măsurat pacienți în unitatea de terapie intensivă, precum și la Madsen Health Center [o clinică situată lângă campusul din Salt Lake City] pentru că am dorit să testăm tehnologia pe populația țintă”, a declarat Sanchez Terrones, care anul trecut și-a mutat laboratorul la Universitatea din Illinois, Chicago, unde este profesor asociat în inginerie electrică, informatică și inginerie biomedicală.
„Tensiunea arterială de-a lungul zilei este ca un film, dar atunci când pui manșonul, obții doar o fotografie instantanee a imaginii”, a adăugat Sanchez Terrones. „Dispozitivul cu manșon este foarte util, dar, în același timp, limitat: îți oferă doar o cantitate minimă de informații utile datorită modului în care funcționează tehnologia: citirea sistolică față de citirea diastolică, care se traduce în valoarea maximă și minimă a presiunii în timpul înregistrării. La final, ne lipsește 99% din filmul care explică modul în care tensiunea arterială poate varia într-un pacient pe parcursul zilei, în timp ce acesta merge, aleargă sau urcă scări.”
Tehnologia lui Sanchez Terrones poate surprinde restul filmului, înregistrând viteza și pulsul sângelui sub formă de undă continuă, nu doar valorile familiare sistolică și diastolică furnizate în citirile standard cu manșon, precum 120/80. (Sistolică este numărul de sus, măsurând presiunea împotriva pereților arteriali atunci când inima se contractă, iar diastolică este presiunea atunci când inima se odihnește între bătăi.)
„Tensiunea arterială nu este două numere; este o funcție a timpului. Provocarea matematică a fost recuperarea întregului waveform din măsurători electrice indirecte la încheietura mâinii – o problemă inversă clasică”, a spus coautorul Braxton Osting, profesor de matematică la Universitatea din Utah. „Înglobarea fizicii fluxului sanguin direct în model face predicția mai de încredere.”
