Un estetoscopio portátil diseñado para el diagnóstico remoto

Los estetoscopios digitales proporcionan mejores resultados en comparación con los métodos convencionales para registrar y visualizar la auscultación moderna. Los estetoscopios actuales son voluminosos, no conformes y no son adecuados para el uso remoto, mientras que los artefactos de movimiento pueden conducir a un diagnóstico inexacto.

En un nuevo informe ahora publicado en Science Advances, Sung Hoon Lee y un equipo de investigación en ingeniería, nanotecnología y medicina del Instituto de Tecnología de Georgia, EE. UU., y el Hospital Universitario Nacional de Chungnam en la República de Corea, describieron una clase de métodos para ofrecer auscultación inalámbrica y continua en tiempo real. Los dispositivos forman parte de un sistema portátil suave para el diagnóstico cuantitativo de enfermedades en diversas patologías.

Utilizando el dispositivo blando, Lee et al detectaron sonidos cardiopulmonares continuos con un ruido mínimo para caracterizar anomalías de la señal en tiempo real.

El equipo llevó a cabo un estudio clínico con múltiples pacientes y sujetos de control para comprender la ventaja única del método de auscultación portátil, con aprendizaje automático integrado, para automatizar los diagnósticos de cuatro tipos de enfermedades en el pulmón, que van desde un crujido hasta una sibilancia, un estridor y un rhonchi, con una precisión del 95 %.

El sistema blando es aplicable a un estudio del sueño para detectar trastornos de la respiración y detectar la apnea del sueño.

Auscultación en el campo de la medicina

La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y la enfermedad cardiovascular (ECV) son factores predominantes de mortalidad en todo el mundo. Las dos patologías forman un término general para las enfermedades del corazón y los pulmones, lo que conduce a un mal funcionamiento y al flujo sanguíneo restringido durante la respiración.

Si bien aproximadamente el 80 % de la mortalidad por EPOC se produce en países de ingresos bajos a medios debido a la inaccesibilidad de la atención médica, la auscultación precisa puede ser útil diagnosticar la enfermedad en una etapa temprana y evaluar la respuesta al tratamiento. Del mismo modo, los sonidos cardíacos también facilitan el diagnóstico y la identificación de enfermedades cardíacas vasculares.

La auscultación es el método de diagnóstico más básico y vital de la medicina, debido a su uso no invasivo, rápido, informativo y barato.

Dado que la mayoría de los estetoscopios no pueden grabar los sonidos detectados, el proceso puede limitarse a través de estetoscopios convencionales, lo que dificulta compartir los resultados para registrar anomalías. Como resultado, algunas de las enfermedades respiratorias y cardíacas críticas pueden ser mal diagnosticadas o infradiagnosticadas.

Los estetoscopios digitales que ayudan a la auscultación en tiempo real pueden encubrir sonidos acústicos a señales eléctricas para amplificar sonidos inaudibles a través de estetoscopios acústicos. En este trabajo, Lee et al introdujeron un sistema de estetoscopio portátil suave para la auscultación de miocardiopatía ambulatoria a través de una clase de métodos basados en electrónica avanzada, mecánica flexible y embalaje blando para enfermedades cardiovasculares y monitorización respiratoria.

Diseño del dispositivo de un estetoscopio portátil suave (SWS)

El equipo recopiló los datos cardiorrespiratorios con precisión durante las actividades diarias para diagnosticar anomalías pulmonares. Luego mejoraron la relación señal/ruido de la colección de sonidos densoizados por wavelet, para minimizar los circuitos e hicieron que el dispositivo fuera más compacto para entrenar un modelo de aprendizaje automático para identificar con precisión los sonidos de stridor, rhonchi, sibilancias y chicharrones pulmonares.

Lee et al también desarrollaron una aplicación de dispositivo móvil fácil de usar para grabar sonidos cardíacos y pulmonares, y subieron la información de forma remota y segura. Formaron el sistema portátil suave y miniaturizado para la auscultación cardiopulmonar remota del paciente con dispositivos excepcionalmente pequeños y mecánicamente flexibles, para la integración flexible de la piel, y la auscultación autoasistido para facilitar la monitorización continua remota sin interacciones físicas paciente-médico.

La carcasa elastomémérica mantenía un gel de silicona interior para ayudar al contacto con la piel, e incluía una capa delgada y conductora acoplada a hidrogel para auscultar las actividades cardíacas y respiratorias. La configuración incluía múltiples capas de materiales blandos y componentes electrónicos, incluido un sensor de micrófono, una batería recargable y circuitos de película delgada con una unidad de baja energía de dientes azules para la transmisión inalámbrica de datos.

El sistema mantenía un micrófono de sistema mecánico microelectrónico para la grabación de sonido, lo que permitió al equipo convertir el sonido recopilado del micrófono en señales digitales a través de un convertidor analógico a digital optimizado a través del chip inalámbrico para el procesamiento de datos. El estetoscopio totalmente portátil ofrecía una oportunidad única para supervisar de forma remota la salud digital.

Estetoscopio convencional frente al estetoscopio digital

El equipo trató de mantener un contacto adecuado del sistema de micrófono portátil con la piel. En comparación con el estetoscopio comercial, el estetoscopio digital delgado y flexible formó un contacto conforme para una grabación de sonido de alta calidad.

Lee et al llevaron a cabo experimentos para comparar el rendimiento de la grabación de sonido entre los estetoscopios convencionales frente a los digitales, en los que sujetos sanos caminaban o se paraban con el dispositivo montado en el pecho y grababan sonidos cada cinco minutos. El dispositivo demostró además capacidades impermeables y transpirabilidad, para su uso a largo plazo.

Detección de sonidos cardíacos en la vida diaria e introducción de un algoritmo de ruido para el diagnóstico automatizado de enfermedades

Dado que las actividades diarias tienen diversas fuentes de ruido y pueden afectar negativamente a la grabación de sonidos con un estetoscopio convencional, los médicos realizan auscultaciones en pacientes en estado de reposo. Lee et al demostraron el rendimiento de un estetoscopio digital para regular los artefactos de movimiento relativos a la calidad del contacto con la piel explorando una serie de escenarios en los que los sujetos imitaban una variedad de situaciones de la vida real para mostrar la influencia de la calidad de sonido medida.

Mientras que el dispositivo blando permitía una grabación de sonido eficiente, los dispositivos convencionales similares a estetoscopio causaban grabaciones de baja calidad de los sonidos cardíacos y pulmonares. El equipo utilizó el filtrado adicional de las frecuencias de corte de primer nivel para eliminar el ruido de alta frecuencia no deseado.

Los investigadores estudiaron la transformación de las ondas del corazón, las señales de sonido pulmonar y el filtrado de ruido para capturar los sonidos del cuerpo y sus alrededores. Lo lograron con un algoritmo de umbral para suprimir el ruido en las señales digitales.

El trabajo mostró un rendimiento superior del sistema portátil suave al detectar sonidos pulmonares y anomalías de diversas enfermedades. El nuevo estetoscopio proporcionó una ventaja crucial para el registro continuo en tiempo real de sonidos de alta calidad y datos cuantitativos a través del aprendizaje automático basado en redes neuronales convolucionales (CNN), para la clasificación automatizada de enfermedades. El equipo convergió la aplicación para teléfonos inteligentes con el aprendizaje automático para clasificar los fenotipos de enfermedades en tiempo real.

Perspectivas

De esta manera, Sung Hoon Lee y sus colegas desarrollaron un mecanismo flexible y suave de reducción de ruido de materiales y un algoritmo asociado para realizar plenamente un método de auscultación portátil, continuo y en tiempo real con un estetoscopio portátil.

El equipo mostró monitorización cardiopulmonar en múltiples seres humanos que participan en diversas actividades diarias. El sistema portátil suave es biocompatible y amigable con la piel, con aprendizaje profundo integrado, aplicable para estudios clínicos exitosos y análisis remotos de enfermedades, adecuado para sistemas de seguridad biométrica personalizados de próxima generación.