Je gezondheidssituatie monitoren met behulp van licht: TNO ontwerpt draagbare optische sensoren

Waarom wachten tot iemand gezondheidsproblemen krijgt? Binnen de zorgsector ligt steeds meer nadruk op preventie en in een vroeg stadium diagnosticeren. Draagbare apparaten spelen hierin een belangrijke rol omdat deze wearables een continue monitoring van belangrijke gezondheidsparameters mogelijk maken.

Dit kan dure behandelingen voorkomen, en draagt bij aan op een prettige manier ouder worden. Hierbij speelt de inzet van innovatieve fotonica of op licht-gebaseerde medische apparaten een belangrijke rol. Niet alleen in het ziekenhuis, maar juist vooral in de thuissituatie.

Verschillende gezondheidsparameters

Binnen de medische fotonica richt TNO zich onder andere op draagbare sensoren die licht door de menselijke huid laten schijnen. Detectoren meten hoe dat licht zich gedraagt. Vervolgens is het dankzij een speciaal algoritme mogelijk om verschillende gezondheidsparameters te monitoren, zoals de zuurstofsaturatie (SpO₂), hemoglobine niveau, hartslag, bloeddruk en hydratatie.

Nog niet zo heel lang geleden was dit alleen beschikbaar in grote ziekenhuisinstrumenten, maar tegenwoordig wordt dat soort technologie ook verwerkt in smartwatches en andere draagbare apparaatjes om je gezondheidsparameters te meten. Het ene apparaatje doet dat overigens beter dan het andere. En die kwaliteitsverschillen kunnen best groot zijn.

Strengere eisen voor medische devices

In de medische wereld spelen dit soort wearables ook een steeds grotere rol. Vaak worden ze ingezet voor diagnose. Is iemand geopereerd? Dan doen ze het ook goed als hulp bij het monitoren van het herstel. Daarvoor worden ze nu dus ook regelmatig ingezet. Het is cruciaal dat de meetresultaten van die medische devices voldoen aan de hiervoor geldende medische richtlijnen. Voor medische devices gelden er veel strengere eisen dan voor wearables die niet een medisch hulpmiddel zijn.

Zuurstofverzadiging goed in beeld

“Als je bijvoorbeeld kijkt naar de meting van de zuurstofverzadiging, dus SpO₂, dan zie je dat smartwatches, die geen medisch hulpmiddel zijn, al gauw een meetfout van 10% hebben”, weet Michiel Oderwald, Senior Business Developer op het gebied van Medical Devices bij TNO. “Maar tijdens de coronacrisis zagen we hoe belangrijk het is om de zuurstofverzadiging goed in beeld te krijgen. Een waarde van 97 tot 100% is normaal. Komt die waarde onder de 90%? Dan is dat een teken dat er iets mis is en moet je naar de dokter. De onnauwkeurige, niet medisch goedgekeurde SpO₂-sensor van een smartwatch mag dus niet medisch worden ingezet omdat je dan het risico loopt dat je iemand veel te laat naar de dokter stuurt.”

TNO beheerst alle stappen

Er staat dus nogal wat op het spel. “Als TNO zijn we ons daar ook heel goed van bewust”, benadrukt Oderwald. “We ontwerpen nieuwe wearables die op basis van weefseloptica gezondheidsmetingen doen. Daarnaast verbeteren we bestaande exemplaren.

Ook worden we betrokken bij het ontwikkelen, analyseren, bouwen en testen van klinische prototypes. We beheersen dus alle benodigde stappen, tot aan het creëren van betere algoritmes en het valideren ervan op kunstweefsel en proefpersonen. Dat alles doen we overigens in nauwe samenwerking met universiteiten, medische centra en onze partners uit het bedrijfsleven.”

Niet-medische draagbare sensoren

“Naast onze focus op professionele medische producten, werken we ook graag samen met bedrijven die niet-medische . Smartwatches bijvoorbeeld, of andere fitness-trackers. Ook voor sporttoepassingen is een goed werkende sensor van grote waarde. Wij helpen fabrikanten dan ook graag om hun devices te verbeteren waarbij we er naar streven dat ook die devices écht representatieve resultaten weergeven.”

Geen huid is hetzelfde

De grote uitdaging bij een sensor design is dat geen enkele huid hetzelfde is. Daarbij verandert de huid ook nog eens door bijvoorbeeld activiteit, hydratatie en temperatuur. Ondertussen is het wel belangrijk dat de sensor betrouwbaar werkt, ongeacht het huidtype waar hij op wordt geplaatst.

Hulp van supercomputers

Om de interactie van licht op weefsel voor elke specifieke sensorconfiguratie door te rekenen, gebruikt TNO een weefsel-optische analysetool: TOMCA (Tissue Optics Monte Carlo Analysis Service). Daarmee is het mogelijk om duizenden verschillende huidtypes creëren, met variaties in huidlaagdiktes, huidskleur, vetpercentage en doorbloeding en de natuurlijk voorkomende variaties daarop.

Een paar supercomputers maken het vervolgens mogelijk om de optische respons op tienduizenden huidtypes te simuleren. Dat levert een schat aan data op die kan worden ingezet om nieuwe algoritmes te ontwikkelen of bestaande algoritmes te verbeteren.

Weefsel-optica faciliteiten

TNO beschikt over diverse faciliteiten om sensoren te ontwikkelen. In die optische labs beschikken specialisten over een ruim assortiment van lichtbronnen en spectrometers om onder andere de optische respons van verschillende menselijke weefsels te karakteriseren.

Voor bijna elke applicatie is het aan te raden om kunstweefsels, ook wel weefselfantomen genoemd, te ontwikkelen. Deze kunnen worden ingezet voor zowel de sensorvalidatie als de kalibratie. TNO beschikt over de kennis en ervaring om drie soorten fantomen te bouwen:

1. Vloeistoffantomen, met specifieke absorptie-, scattering- en fluorescente eigenschappen
2. Driedimensionale gelaagde, statische fantoomweefsels. Waarbij per laag de optische eigenschappen kunnen worden gevarieerd.
3. Een dynamisch microvasculair fantoom, waarin menselijk bloed met een bekende, instelbare oxygenatie wordt rondgepompt.

Dankzij een samenwerking met het Centrum voor Mens en Luchtvaart (CML) in Soesterberg heeft TNO bovendien de mogelijkheid om SpO₂-wearables te testen in de op dat complex aanwezige hypobare kamer waar de luchtdruk op grote hoogte wordt nagebootst.

Fluorescentie om tumoren te detecteren

Medische Fotonica kan ook worden ingezet voor het meten van wat er wat dieper in het lichaam gebeurt. Zo is het mogelijk om fluorescente labels te injecteren met een antilichaam dat zich aan een tumor hecht. Door vervolgens het weefsel met een wat kortere golflengte te belichten, ontstaat er op de plek van de tumor een fluorescerend effect met een wat langere golflengte.

Dankzij een speciaal filter dat de kortere golflengte blokkeert, is dan via een camera precies te zien waar de tumor zich bevindt en wat de grootte ervan is. Bij de doorontwikkeling en verbetering van deze technologie werkt TNO nauw samen met de Vrije Universiteit.

Thuis je gezondheid laten monitoren

Ondertussen krijgen de wearables voortdurend upgrades. TNO werkt daarbij aan flexibele huidpatches: een soort pleister die een lichtbron, detector en batterijtje aan boord heeft en die data kan verzenden. En dat alles zo klein dat de drager er nauwelijks iets van voelt.

Zo’n huidpatch kan dus zonder problemen voor langere tijd zijn monitorwerk doen. “Op die manier krijgen dokters niet alleen de beschikking over maar 1 diagnostische meting, maar over de monitoringsdata van een lange tijdsperiode. In die “longitudinale” data zit meer en daarmee vaak ook betrouwbaardere informatie. Neem bijvoorbeeld het opnemen van de bloeddruk.

Als de huisarts dat doet, kan alleen zijn of haar aanwezigheid al voor wat extra zenuwen zorgen waardoor de hartslag en de bloeddruk stijgt”, licht Oderwald toe. Als je je bloeddruk over de dag heen meet krijg je een betrouwbaardere meting van je gemiddelde bloeddruk en je kunt ook meten wanneer op de dag je meer stress ervaart.

Prettiger, tijdbesparender en een beter beeld

“Als mensen straks dankzij huidpatches de mogelijkheid krijgen om hun gezondheid gewoon in hun thuissituatie te laten monitoren, is dat niet alleen prettiger voor henzelf, maar bespaart dat huisartsen en andere medische specialisten ook nog eens tijd. En de metingen geven daarbij  een beter beeld van de werkelijke situatie. Op alle vlakken een positieve ontwikkeling dus, die ook helemaal aansluit bij de huidige trend binnen de gezondheidszorg, waarbij er meer aandacht is voor preventie en vroegdiagnostiek.”