raynaud-szindróma

"Okos kesztyű" projekt

Egy fűthető kesztyűbe varrt szenzorrendszerből álló konfigurációról van szó. A mért paraméterek a véroxigén-szint, pulzus, bőrhőmérséklet és külső hőmérséklet, aktivitás, valamint a stressz-szint. Ezen paraméterek korrelálnak egy bizonyos autoimmun betegség, nevezetesen a Raynaud-szindróma esetében. Ez egy perifériás keringési rendellenesség, melynek során a hajszálerek olyannyira összeszűkülnek vagy elzáródnak különböző autoimmun folyamatok miatt, hogy azokba nem tud vér folyni. Ekkor oxigénhiányos állapot jelentkezik az érintett területeken, ami hosszú ideig fennállva akár sejtelhaláshoz is vezethet. Ezt megelőzendő, az élettani paramétereket monitorozó kesztyű a fűtési tulajdonságát kihasználva tud közbeavatkozni a keringés fenntartása érdekében. Mivel a jelenség nem csupán hőmérséklet, hanem stressz-szint-függő is, így az ismertetett módszer segítségével összefüggéseket lehet feltárni azzal kapcsolatban, hogy milyen körülmények között jelentkezik a jelenség, milyen gyakorisággal és súlyossággal. Ehhez egy valószínűség-számításon alapuló modellt használok fel, ami a mért élettani paraméterek alapján képes az összefüggések megállapítására.

Továbbá, az eszköznek diagnosztika felállítását támogató funkciója is van: Raynaud-szindrómás betegeknél a tünetek és a szervezetben a háttérben álló folyamatok különbözőek lehetnek, melyeket több vizsgálat elvégzésével lehet megállapítani. Létezik elsődleges és másodlagos Raynaud-betegség, melyek megkülönböztetésében ez a viselhető orvostechnikai eszköz is támogató szerepet játszhat. Ezen felül – a kesztyű szenzorrendszere által megfigyelhető betegségek palettáját bővítve -, a bevarrt gyorsulásérzékelő képes az ujjak finomremegését is érzékelni, ami a Parkinson-kórnak lehet egy korai tünete. Ezen szenzor további tulajdonságát kihasználva, elesésdetektálást is megvalósítottam a rendszerben. Ez a funkció szintén az idősebb korosztálynak nyújthat segítséget azáltal, hogy értesítést, riasztást küld a megadott hozzátartozónak. Így az időskori balesetek következményeinek csökkentésére is alkalmas.

Végezetül, a stressz-szint mérését is „ideális” körülmények közé helyezi az eszköz, hiszen természetes viszonyok között, akár a hétköznapi tevékenységek alatt képes monitorozni a viselőjének stressz állapotát. Ezáltal a fehérköpenyes-szindróma kiküszöbölhető, mely egyébként meghamisítaná a méréseket.

Az itt bemutatott, általam készített, viselhető orvostechnikai eszköznek tehát számos felhasználása elképzelhető:

– Raynaud-szindrómások támogatása azáltal, hogy a mért élettani paraméterek alapján megelőzi a Raynaud-jelenség bekövetkezését a fűtési rendszer segítségével

– elesést képes detektálni, és értesítést küldeni

– stressz-szint mérésre alkalmas

– sclerodermás betegek bőrének monitorozása a kézfejükön, különböző hatóanyagú gyógyszerek hatására

– továbbfejlesztési célként pedig a Parkinson-kór korai tünetének észlelését teszi lehetővé az ujjremegés monitorozása által

A projekt célja nem csupán az eszköz elkészítése, hanem tágabb értelemben véve, a modern gondolkodású diagnosztikát elősegíteni kívánó szemléletmód kialakítása.

A Raynaud-betegségnek két típusa létezik: elsődleges és másodlagos. Az előbbinél primer Raynaud-betegségről van szó, ez maga az autoimmun betegség, amely a szervezetben jelen van. Utóbbi esetben pedig – ezt nevezik szekunder Raynaud-betegségnek – más autoimmun folyamat áll a háttérben, a szindróma pedig „csak” az elsődleges folyamat egy tünete.

Fontos különbség a két típus között, hogy míg primer esetben az érösszeszűkülések – és ennek látható jelei, az ujj-elfehéredések – szimmetrikusak, addig szekunder esetben aszimmetrikusak. Ez egy jó kiindulási pontját jelenti a két típus megkülönböztetésének. Ha nem annyira súlyosak a tünetek, akkor ránézésre nem tudjuk megállapítani, hogy a szimmetrikus vagy az aszimmetrikus jelenséggel van-e dolgunk.

A Raynaud-betegség folyamatainak élettani hátterében kiemelkedő fontosságú szerepet játszik a szimpatikus idegrendszer túlzott válaszreakciója a stressz hatására. Mivel a hideg érzetet is egyfajta stressznek tekinthetjük a szervezet számára, fontos lehet a környezet és a bőr hőmérséklet-mérése is a non-invazív mérések korrelációjának vizsgálatakor.

Ezen felül a bőrhőmérséklet, külső hőmérséklet, aktivitás és stressz-szint alapján tudja az eszköz szabályozni a fűtését, így megakadályozva az ujjak oxigénhiányos állapotának fellépését. Ezt az állapotot azért fontos megelőzni, mert ha már ebbe kerülünk, akkor csak nagyon nehezen tud visszatérni a keringés. Több „házi praktika” is létezik a gyors tüneti kezelésre, mint például a forró vízzel való visszamelegítés, vagy a meleg helyiségbe való tartózkodás huzamosabb ideig. Erre persze általában nincs lehetőség minden egyes alkalommal, amikor a jelenség jelentkezik. Ráadásul, az ereknek sem tesz jót, ha hirtelen visszatágulnak, és mintegy „visszaömlik” a vér beléjük. Ha ez a folyamat sokszor megtörténik, az hosszú távon az erek falait is károsítja. Legegészségesebb megoldás tehát, már magát a jelenség megjelenését a kezdeti állapotban „elkapni”, és a megfelelő hőmérsékleten tartással biztosítani az erek viszonylag állandó keresztmetszetét, és így a sejtek, szövetek vérellátását. Ezt a célt szolgálja a kesztyű szabályozható fűtése.

A Raynaud-jelenség kedvező hőmérsékleti viszonyok mellett is megnyilvánul, mivel általánosan függ a stressz-szinttől. Ez azt jelenti, hogy akár szobahőmérsékleten – vagy még melegebb környezetben – stresszes állapotban is képesek az erek olyannyira összeszűkülni, hogy azokba már nem tud vér folyni. Ennek érdekében egy bőrimpedancia mérésen alapuló stressz-szint becslő szenzor is implementálásra került az eszközben. Ezen terület érdekessége továbbá, hogy a stressz-szint mérés önmagában is egy kutatási területként van jelen, hiszen természetes körülmények közé helyezi a folyamatot: ha valaki tudja, hogy rajta éppen stressz-szintet mérnek, akkor alapból idegesebb lesz. Ráadásul, az egész folyamat általában nem hétköznapi körülmények között történik, hanem orvosi megfigyelés mellett, ami tovább emeli a stressz szintet. Gondolok itt a vérnyomás mérés és a fehérköpenyes szindróma kapcsolatára. A kesztyű hétköznapi körülmények között tudja végezni a mérést.

Az autoimmun betegségek legfőbb forrása a bélrendszer helytelen működésében keresendő. A tünetek csupán ezeknek a „belső forrásoknak” a megnyilvánulásai. A projekt értelmezésében, célkitűzéseiben tehát még egy absztrakciós szintet lépve, annak célja egy olyan folyamat megismerése az emberi szervezetben, amely a bélrendszerből indul, és a látható tünetek, a mérhető paraméterek visszavezethetők ezekre a betegségekre. Tehát egy külső, monitorozható paraméterhalmaz felől közelítem meg a problémát , ami egészen a bélrendszer, az idegrendszer és az autoimmunitás szoros kapcsolata felé konvergál. Ezen összefüggéseket a  [2] tanulmány is alátámasztja, melynek lényege a következő: a különböző vazoaktív (erekre ható) anyagok az endotél sejtben NO (nitrogén-monoxid), illetve prosztaciklin elválasztást indukál. (A prosztaciklinek a prosztaglandin származéka, hatékony helyi értágító hatásuk van. Szerepük többek között, hogy összehúzódásra vagy elernyedésre bírják a simaizomszöveteket.) Bizonyos anyagok felszabadulása (pl.: szerotonin, noradrenalin) vazokonstrikciót okozna, de az endotél sejtekből felszabaduló relaxáló anyagok (NO, prosztaciklin) ezt a hatást csökkentik, elfedik, vagy felül is múlják.

A szerotonin 90%-át a gyomor-bél rendszer állítja elő. Bizonyítottan kapcsolatban áll az idegességgel és depresszióval. Ezen tény ismeretében hozható összefüggésbe az érzelmi állapot által kiváltott Raynaud-jelenséggel. A prosztaciklin intravénás adagolása időleges tüneti kezelést jelent a Raynaud-szindróma okozta perifériás érösszehúzódások ellen.

A szenzorok mérései alapján egy valószínűségi modellel, jelen alkalmazásban rejtett Markov modellel elemzem az adatokat, és keresek összefüggéseket a mért élettani paraméterek között. A felmerülő kérdések: mikor, milyen körülmények között jelentkezik a Raynaud-jelenség?

Hidegben/melegben, stresszes/nyugodt állapotban, aktív/passzív tevékenységet végezve? Az algoritmus a mért paraméterek alapján tanul gépi tanulás módszerével, és egyre pontosabb válaszokat ad a fent említett kérdésekre. Általa személyre szabottan meg lehet állapítani azt a stressz-szintet, vagy hőmérsékletet, vagy akár a kettő kombinációját, ahol a szervezet eléri azt a „küszöbszintet”, ahonnan beindul a kóros, túlzott érösszehúzódás.

A projekt egy későbbi vizsgálódáshoz is eszközt biztosíthat a kesztyű révén: korábbi kutatásokban Raynaud-szindrómásokat vontak be vizsgálódásokba. Az egyikben például a megfigyelt betegekről és környezetükről paramétereket jegyeztek fel, vérképükből különböző markerek koncentrációját mérték (ADMA, ET-1, LDL, stb.). A hőmérsékletről, stressz-állapotukról, a Raynaud-jelenség gyakoriságáról, súlyosságáról pedig a vizsgálatban részt vevőeknek kellett nyilatkozniuk naplózás formájában, illetve különböző pontozási rendszert alkalmazva nyilatkoztak arról is, milyen súlyosságú volt a Raynaud támadás, amikor előfordult. Ezeket a módszereket egy ilyen mérőrendszerrel ki lehetne váltani, modernebb körülmények között lehetne egy ilyen tanulmányt elvégezni. Talán az eredmények is pontosabbak lennének, hiszen nem egyéni belátás alapján pontoznánk a jelenség súlyosságát, hanem egzakt, mért értékek alapján.

Egy másik tanulmányban a részt vevő alanyok antibiotikumos kezelést kaptak a Helicobacter Pylori nevezetű baktérium ellen, melyről gyanították, hogy szorosan összefügg az elsődleges Raynaud-szindrómával. Először felmérték a betegek állapotát hasonló módon, mint az előző bekezdésben említett tanulmányban, majd ismét megfigyelték a paramétereket. Ezt a fajta megfigyelést válthatná ki az eszköz egy ehhez hasonló tanulmányban. Nehéz folyamatosan a hőmérsékletet figyelni, a stressz-szintünket egzakt módon megállapítani, vagy akár a tünetek súlyosságát érzékelni. Mindezekre megoldást jelenthet egy kesztyűbe épített (varrt) hőmérséklet mérő, stresszbecslő, pulzoximéter. A projekt célja tehát éppen egy ilyen viselhető eszköz elkészítése, akár a fent említett vizsgálódások megtámogatása céljából. 

Az elkészült eszköz felhasználási területei tehát egészen általánossá válnak az általa mérhető élettani paraméterek alapján: nem csak a Raynaud-betegeket érinti a perifériás keringési rendellenesség, hanem a dohányosoktól kezdve, a cukorbetegeken át, a vérnyomás problémákkal küszködőkig mindenkit. Az autoimmunitás jelensége pedig egyre inkább előtérbe kerül a szervezet megbetegedéseit tekintve. Továbbá, a Parkinson-kór is „képbe kerül” a fent leírtakra hivatkozva, az elesésdetektáló funkció is nagy segítséget nyújthat az idősebb korosztálynak, és a Raynaud-szindrómával kapcsolatos orvosi esettanulmányok támogatására is alkalmas lehet az eszköz. 

 

Egy egészen filozófiai síkba emelt gondolat, melyet a személyes motivációkból elkészített eszköz ihletett: a projekttel a célkitűzésem – azon felül, hogy egy élettani paramétereket monitorozó, és a mért adatokat elemző, diagnosztikát támogató eszköz elkészüljön –, hogy az orvos-beteg gondolkodásmódját és kapcsolatát a modern világba emelje.

Példaképpen, az előző részben említett Helicobacter pylori vizsgálat kapcsán tárgyalt naplózási folyamat a vizsgálatban részt vevő alanyok részéről a mai kor technológiáit tekintve elavultnak tekinthető. Nem is beszélve az eredmények minőségének és mennyiségének nagyságrendbeli növekedéséről, melyekből a szakorvosnak is könnyebb dolga van felállítani egy biztosabb diagnózist. Ekkora mennyiségű adatot a hagyományos módszerekkel nem lehetne gyűjteni. Ráadásul, ebben az esetben a mért adatok nem is egyéni belátás alapján kerülnek feljegyzésre, hanem egészen egzaktul meghatározott tartományok figyelembevételével.

Egyrészt, ezt a régimódi gondolkodásmódot hivatott felváltani a projekt. Másrészt pedig, visszatérve az orvos-beteg kapcsolatához, szintén egy igen régimódi világot élünk e tekintetben: a betegek órákon keresztül várakoznak, hogy bejussanak a szakorvosi rendelésre. Számos papírmunkával, receptfelírással, feleslegesen elvesztegetett idővel zajlik az egész folyamat. Manapság mindent próbálunk már online intézni, minél kevesebb várakozási idővel, minél hatékonyabban. Miért ne éppen az egyik ilyen legfontosabb területen – az egészségügyben – tegyünk előrelépéseket az ügy érdekében? Bekapcsolva a gondolatmenetbe a projekt által szolgáltatott temérdek információ rendelkezésre állását az alanyról/betegről, miért ne használnánk ki ezeket a betegben lejátszódó folyamatok megismerésében? (Gondoljunk itt például a stressz-szint és a Raynaud-jelenség, autoimmunitás, a vegetatív idegrendszer kapcsolatára. Természetes körülmények között teszi lehetővé a beteg megfigyelését, annak szervezetének a különböző behatásokra, élethelyzetekre adott válaszával összekötve. Az orvos pedig elemezheti a mért paramétereket, és az alapján további információkat kaphat a beteg mindennapi állapotáról. Erre hagyományos módszerekkel a jelenlegi betegszám és orvosok számának egymáshoz viszonyított arányát tekintve esély sincs. Manapság az orvosnak néhány perce jut egy-egy betegre, annyian vannak, annyian vagyunk.

Mindezen felül, az eszközt párhuzamba lehet vonni a 24-órás EKG-készülék alkalmazásával: egy-egy gyors, ambuláns vizsgálat alatt lehet, hogy éppen nem jelentkeznek a tünetek. A Raynaud-szindrómánál ez kiváltképp igaz. Így, ha egy ilyen állapotban kerül vizsgálatra a beteg, akkor azok semmi eltérést nem fognak mutatni a normál értékekhez képest. Az EKG készülék analógiáját tekintve, a kesztyű által mért paraméterek is ezt a célt szolgálják: huzamosabb ideig figyelik meg a viselőjének hogyan alakul az állapota. Ha nem is ezekből az adatokból állít fel diagnózist az orvos, mégis, a diagnózis felállításában segítséget nyújthat. Legalábbis a beteg általános állapotáról tájékoztatást adhat.

Ez persze szintén nem jelent megoldást a betegségekre, csak a már kialakult tünetek kezelésére. A háttérben lévő okokat fel kell deríteni, és a betegségeket megelőzni lenne szükséges, nem pedig kezelni. (Gondoljunk az ujjak finomremegésére, a Parkinson-kór korai tünetére, vagy a másodlagos Raynaud-jelenségre, ami autoimmun betegség jelenlétére utal a szervezetben). Ezt a gondolatot is szem előtt tartva, a dolgozatban több helyen kitérek a kesztyű által mért élettani paraméterek és az autoimmun betegségek kapcsolatára.

A szenzorrendszer által monitorozott élettani paraméterek összefüggenek egymással bizonyos folyamatok együttes vizsgálatakor.
A Raynaud-szindrómánál két kritikus tényező van a jelenség előfordulása szempontjából: a hőmérséklet és a stressz-szint. Egyrészt, egy bizonyos hőmérséklet alatt (súlyosabb esetben már szobahőmérséklet alatt!) szinte biztos, hogy jelentkezni fog a túlzott perifériás érösszeszűkülés. Másrészt, akár meleg környezetben is jelentkezhet, ha stressz éri a Raynaud-beteget. Sok függ tehát attól, hogy mekkora a stressz mértéke, és milyen környezeti hőmérséklet társul hozzá. A „szinte biztos” és „jelenthezhet” mértékét hivatott számszerűsíteni az eszköz. Ezt például valószínűség-számításon alapuló módszerekkel lehet megállapítani. Egy ilyen módszert, a rejtett Markov modellt és jelen projektbeli felhasználását mutatom be ebben a fejezetben.
Az algoritmus választásának alapja, hogy vannak megfigyelhető és nem megfigyelhető paramétereink (állapotaink). Jelen felhasználásban megfigyelhető paraméter minden, amit a beépített szenzorokkal mérni tudunk: pulzus, véroxigén-szint, bőrhőmérséklet, külső hőmérséklet, aktivitás és stressz-szint. A szenzorok által közvetlenül nem megfigyelhető állapot pedig az, hogy a Raynaud-jelenség éppen fennáll-e. Erre tudunk bizonyos valószínűséggel következtetni.

Ezáltal egyénre szabottan ismerhetjük meg azt, hogy milyen gyakorisággal és súlyossággal jelentkeznek a tünetek, és ezek milyen körülmények között történnek meg. Az algoritmus annál pontosabb, minél több mérési adatot kap, minél „többet tud tanulni”.

A rejtett Markov-modell (RMM) egy valószínűségi változókon alapuló modell, amely alkalmas folyamatosan változó állapotok vizsgálatára a rejtett (nem megfigyelhető) állapotok segítségével. A megfigyelhető állapotokat a szenzorinformációkból származtathatjuk. A nem megfigyelhető – a szenzorok által közvetlenül nem mérhető – állapot pedig maga a Raynaud-jelenség.

Az RMM egy többváltozós modell, ahol az események (feltételes) függetlenségét kihasználva tudjuk számításainkat egyszerűsíteni. Erre azért is van szükség, mert különben túlzott méretű eloszlás-táblázatokat kellene felvennünk, ami a számítási kapacitást figyelembe véve nem kivitelezhető a később ismertetett tanulási folyamat szempontjából.

Az RMM-ben elvégezhető operációk közül jelen alkalmazásban a legfontosabbak egyike az előrejelzés (prediciton). Ez azt jelenti, hogy egy jövőbeni állapot eloszlását számítjuk ki az eddigi összes bizonyíték (mérési eredményekből kapott eloszlások) ismeretében. Ennek szerepe a Raynaud-betegségnél az, hogy a jelenség bekövetkeztét megelőzni szükséges, nem pedig „tünetileg kezelni”. Gondoljunk itt arra a folyamatra, ami a bevezető részben került ismertetésre: sokkal nehezebb megszüntetni a tüneteket (fehér, lila, fekete ujjak, összeszűkült erek, drasztikusan csökkent véroxigén-szint), mintsem megelőzni azokat. Ez az előrejelzési módszer tehát alkalmas ennek a problémának a kiküszöbölésére. Minél több mérést végeztünk, annál pontosabban tudja „megjósolni” az algoritmus, hogy mikor, milyen körülmények között fog fellépni a Raynaud-jelenség. Ezt iteratívan, a tanulási folyamat során pontosítja a módszer. Minél több mérési eredményt kap, annál pontosabb becslést ad.

A Semmelweis Egyetem neurológiai osztályán lehetőséget kaptam arra, hogy egy Parkinson-kóros betegen végezhessek méréseket az eszközzel. Ennek relevanciája, hogy a Parkinson-kór tünetei közé sorolható az ujjak remegése (súlyosabb esetben az egész kézfej remegése), valamint a vegetatív idegrendszer csökkent funkciója is. Ez utóbbit több módszerrel is mérik, melyek között szerepel egy bőrimpedancia mérésen alapuló eljárás is.

Ennek az eljárásnak a lényege az, hogy egy ingerületátvivő anyagot (neurotranszmittert) – nevezetesen acetilkolint – juttatnak a beteg bőrfelszínhez közeli részeihez iontoforézis segítségével. Az iontoforézis során a hatóanyagot közvetlenül be lehet juttatni a szervezetbe, helyileg lehet azt alkalmazni. Éppen ez történik ebben az esetben, ugyanis az acetilkolin hatására lokálisan megindul a verejtékezés, és így a bőrimpedancia mérővel megfigyelhetjük, hogy a beteg autonóm idegrendszere mennyire mutat csökkentett aktivitást.

Az első esetben egy másik eljárás segítségével teszik mérhetővé az autonóm idegrendszer hatékonyságát. Ez a projektem szempontjából nem kapcsolódik a méréshez, azonban érdemes megemlíteni a teljesség kedvéért: adott környezetben stimulált szőrtüszők segítségével lehet következtetni arra, hogy mennyire jó a beteg ingerületvezető képessége. A stimulált hely körül minél több szőrtüszőt ér el az inger, annál jobb a beteg autonóm idegrendszerének állapota. Azt, hogy mennyi szőrtüszőt ért el az inger, egy gél segítségéve lehet később megszámolni.

A második eset pedig már releváns a projekt szempontjából is: az acetilkolin iontoforézis segítségével bejut a szövetek közé, melynek eredménye lokális verejtékképződés lesz. Ezáltal megváltozik a bőr vezetőképessége. Ezt lehet detektálni az elektródok segítségével.

Ez utóbbi esetben a kesztyűbe varrt elektródok segítségével is lehet mérni a bőrimpedancia változást. Ezt a beteg ujjaira felszerelt különböző mérőelvezetések miatt nem rajta, hanem saját magamon végeztem el. Itt csupán az volt a szándékom, hogy a kesztyűben lévő bőrimpedanciamérésen alapuló, stresszbecslésre alkalmas szenzort teszteljem.

 Az acetilkolin iontoforézis segítségével való bejuttatása után megindul a verejtékezés az adott területen, majd egy rövid ideig – néhány percig – folyamatosan fokozódik. Ezt a fokozódó jelenséget próbáltam megfigyelni, és számszerűsíteni a kesztyűbe varrt bőrimpedanciamérő segítségével. Ennek célja, hogy a szenzoron található potenciométer segítségével kalibrálni tudjam a szenzort, ugyanis nem elhanyagolható tényező a bőr hidratáltsága, zsírossága sem. Nem mindegy tehát, hogy az eszközzel egy fiatal vagy egy idősebb ember bőrfelületén mérünk – a bőr vezetőképessége különböző életkorokba eltérő. 

 

A projekt szempontjából szintén releváns orvosi szakterületen is sikerült új ötleteket meríteni a projekt továbbfejlesztési lehetőségeihez: a Semmelweis Egyetem Bőrklinikai Osztályán az immunológiai részleg orvosaival konzultálva az a meglátás, hogy a sclerodermás betegeknél a kézfejen megjelenő fekélyesedés miatt egy újabb szenzort is lehetne a kesztyűbe szerelni, ami a bőrnek ezt az állapotát képes nyomon követni. Egy ilyen betegségben szenvedő páciensnek nagyban függ az állapota az alkalmazott gyógyszeres kezeléstől. Jövőbeni cél, hogy a különböző hatóanyagú gyógyszerek által okozott változásokat megfigyeljük, és következtetéseket vonjuk le azzal kapcsolatban, hogy melyik szer alkalmazása milyen tüneteket produkál, milyen javulást vagy rosszabbodást eredményez például a beteg bőrén.

Egyik legfontosabb jövőbeni cél, hogy a mért adatok megbízhatóságát alátámasszuk, a mért adatokból számított értékeket kalibráljuk, pontosítsuk. Példának okáért, a stressz-szint becslésénél a bőrimpedancia-mérés eredményeit egy validációs folyamatnak lehet alávetni: más, megbízható forrásból. pl.: MR felvételek által agyi aktivitásból megfigyelt érzelmi állapot változásokra hogyan reagál a GSR-szenzor által szolgáltatott érték. Ez alapján például kalibrálni lehet a stressz-becslő algoritmusokat, így a valószínűségszámító algoritmusok is pontosabb eredményekkel dolgoznak, ennek megfelelően azok is pontosabb eredményeket szolgáltatnak.

A legfőbb probléma, amit a projekthez kapcsolódóan felvetnék, hogy mennyire nem használjuk ki a modern technológia adta lehetőségeket a „hétköznapi diagnosztikában”. Ez utóbbi alatt azt értem, hogy manapság már szinte bevált szokás, hogy a betegek először felállítanak magukról egy diagnózist, különböző online forrásokból kutakodva, majd elmennek az orvoshoz, hogy ez és ez a tünet, panasz, és szerintük ez a betegség. Meglepő módon, általában nem állnak messze az igazságtól az ilyen önmagukat diagnosztizáló „modern kor betegei”. Ezt persze az orvosok nem veszik jó néven, de talán pontosan azért, mert bármi nemű szaktudás vagy mélyebb ismeret nélkül bármilyen is legyen az az öndiagnosztizálás – vagy nevezzük inkább találgatásnak –, nem lehet hiteles. A hiteles alatt ez esetben azt értem, hogy nincs alátámasztva semmi konkrétummal az, hogy a tünetek mennyire valósak, vagy csak inkább szeretjük beképzelni azokat – jobb híján.

Ez a fajta gondolkodásmód legfőképp az autoimmun betegek körében elterjedt, ahol szinte minden labor és egyéb vizsgálatok eredménye negatív, az orvos pedig nem tudja eldönteni, hogy most egy hipochonderrel áll-e szemben, és valóban nincs különösebb egészségügyi problémája, vagy csak nem tudnak rájönni, hogy hol keressék, vagy, hogy egyáltalán mit keresnek. Ilyen esetekben az egyik legjobb kiindulási pont a bélrendszer rendellenességeinek vizsgálata, ugyanis számos betegség innen ered.

A jobb érthetőség kedvéért tekintsük példaként a glutén károsító hatásait a szervezetre nézve: nem maga a glutén az, ami káros a szervezetre, hanem az egyik alkotóelemének, a gliadinnak a lebontása során a bélrendszerben keletkező zonulin nevezetű anyag . A zonulin képes a bélrendszer egyetlen sejtrétegnyi vastagságú falait károsítani: a sejteket fehérjék kötik össze, hogy azok alapvetően szorosan illeszkedjenek egymáshoz, és csak akkor lazulnak meg, amikor emésztés után a tápanyag először a vékonybélen keresztül elkezd felszívódni a szervezetben. A glutén emésztése után keletkező zonulin, és más egyéb tényezők – pl.: stressz, nem megfelelő táplálkozás – hatására a bélrendszer szivárgóvá válhat. Ez azt jelenti, hogy ezek a kötések fellazulnak, és már nem csak a lebontott tápanyagból származó molekulák képesek rajtuk áthatolni, hanem a bélrendszer baktériumai is „átférnek” a réseken. Ekkor az immunrendszer el kezd védekezi ezek ellen a keringésbe kikerült baktériumok ellen, elpusztítja azokat. Eddig még nincs is gond; nagyobb baj akkor keletkezik, amikor ezek a baktériumok a molekuláris mimikri tulajdonságuk révén nagymértékben képesek hasonlítani a gazdaszervezet (az emberi test) egyes saját sejtjeire. Ekkor az immunrendszer nem tudja megkülönböztetni, hogy melyik sejtet kell elpusztítania, ezért elpusztítja mind a baktériumot, mind pedig az az által „utánzott” sejteket. Ezzel ki is alakult az autoimmunitás a szervezetben. Nagyon nehéz ezeket a tüneteket felismerni, legfőképp antitestek, vagy egyéb marekerek (pl.: LPS – lipopoliszacharid, ADMA – asszimmetrikus dimetilarginin, helyiobacterium pylori) kimutatásával lehet próbálkozni. Mire eljut ide egy-egy autoimmun beteg, addigra évek telhetnek el. 

tünetek lappangóak, az életkörülményeket nem rontják jelentősen, de folyamatos gyulladásban tartják a szervezetet, és így az immunrendszer is folyamatos készenléti állapotban van. Egy idő után pedig egyre súlyosabbá válnak, és már a mindennapi életünket is befolyásolja. Nem is beszélve arról, mekkora befolyása van az egészséges mikrobiomnak a hangulatunkra, kedvünkre. Depressziót, levertséget, rossz hangulatot tud okozni a rosszul táplált, nem megfelelő összetételű mikrobiomunk. Nehéz ezt elképzelni, de egy példával rávilágítva máris érthetőbbé válik: a szerotonin (egyfajta boldogsághormon) 90%-át a bélbaktériumaink termelik . Nagyon szoros a kapcsolat az agy és a bélrendszer között: a bolygóidegen (nervus vaguson) keresztül kommunikál e két szervünk. Mindezt egy külön terület, a neurogasztroenterológia tárgyalja.

Visszatérve az öndiagnosztizálás bizonytalanságához: a projekt célja tágabb értelemben véve nem csupán az, hogy egy élettani paramétereket monitorozó, hordozható orvostechnikai eszköz elkészüljön – kiváltképp a Raynaud-betegségre koncentrálva. A projekt célja az is, hogy segítsen a „modern” betegek szervezetük jelzéseinek minél pontosabb megértésére azáltal, hogy az eszköz által végzett mérések is alátámasztják, számszerűsítik azokat. Gondoljunk csak bele, ha egy Raynaud-szindrómás beteg elmegy egy érvizsgálatra, mivel nem megfelelő a perifériás területein a keringése, mégis a vizsgálat során semmi kimutatható tünet nem látszódik. Ekkor az orvos nagy valószínűséggel nyugodt lelkiismerettel hazaküldi, hogy minden a lehető legnagyobb rendben van, hordjon kesztyűt, ha fázik. Az orvosi oldalt is meg lehet érteni, hiszen a több száz vagy akár ezer betegére egy-egy orvos nem tud annyi időt szánni, hogy mindenkit részletesen kivizsgáljon, megértse minden panaszának eredetét. Ehhez nagyon szoros és folyamatos orvos-beteg kapcsolat lenne szükséges, ami a mai betegszám és orvosi létszám arányait tekintve nem kivitelezhető. Ebben a kérdésben jelenthet segítséget egy olyan, élettani paramétereket folyamatosan monitorozó eszköz, mint ez a kesztyű.

Az projekt tehát útmutatóul szolgál a modern technika hétköznapi egészségügyi alkalmazására, a „hétköznapi diagnosztikai feladatok” megtámogatására azáltal a mennyiségű adat által, amit az eszköz a viselőjéről gyűjteni képes. Ilyen egyénre szabott diagnosztikai jellegű eszközt ma még nehéz lehet elképzelni – talán a bemutatott projekt közelebb hozza az „elrugaszkodott” elképzeléseket a valósághoz, és a fent taglalt problémák megoldásában segítséget nyújthat.

A projekt célja olyan gondolatok és megoldási lehetőségek vizsgálata és kipróbálása, amelyek a modernkori egészségügyi szemléletmódot, betegkövetés és betegség prevenciós lehetőségek eddig ki nem használt területeire fókuszálnak. A kialakított eszköz felhasználási köre egészen a specifikustól az általánosig terjed: a Raynaud-szindróma követését, tüneti kezelését lehetővé tevő hordozható, viselhető orvostechnikai eszköz elkészítése maga után vonja annak a lehetőségét, hogy az eszközt szélesebb körben is felhasználjuk.

Összefoglalva tehát az eszköz tulajdonságait és felhasználási lehetőségeit: a kézre helyezett kesztyűben lévő szenzorok által mért élettani paraméterek alapján utólagos adatelemzést vagy valós idejű megfigyelést tesz lehetővé.

Míg “okos kesztyű” már létezik a világban, konkrétan az általam vázolt betegségcsoportokra (autoimmun-folyamatok korai felderítése, Raynaud-betegség, Parkinson-kór, elesés-detektálás, stressz-becslés, scleroderma, stb.) – nincs példa a kutatói hálózatokban. Bár a kardiovaszkuláris vizsgálatokra többen is javasolnak kesztyű-szerű hordozható eszközt  és erőmérőket is többen alkalmaznak – az Apple nemrég szabadalmaztatott egy eszközt, amiben ezek is szerepelnek. Az általam javasolt és megépített eszköz teljesen egyedi. Egyik korábban javasolt eszköz sem használja együtt az általam alkalmazott szenzorok adatait, és a célzott diagnosztikai terület is teljesen újszerű.

A kesztyű automatikus hőfok-szabályozása megakadályozza a Raynaud-jelenség előfordulását, meggátolva az oxigén-hiányos, perifériás érszűkületes állapot beállását. A fűtésszabályozás manuálisan is történhet, akár okostelefonról is (jelenleg Android alapon). Ugyanerről a felületről a valós idejű mérési adatokat is láthatjuk. Gépi tanuló algoritmusok segítségével lehetőség van a mért adatok közötti összefüggések keresésére, ezáltal pontosabb képet kapva akár magáról a Raynaud-betegségről – gyakoriságáról, előfordulási körülményeiről, súlyosságáról –, akár a szervezetünk aktuális állapotáról a pulzus, stressz-szintünk, aktivitásunk huzamosabb ideig tartó megfigyelésével.

Kulcsfontosságú célja az eszköznek mindezen adatok gyűjtése mellett, hogy a mérési körülmények hétköznapi körülmények során történnek. Elesés-detektáló funkciója hasznos lehet akár az idősebb korosztály számára, akiknél egy-egy baleset előfordulása, vagy a segítség nem megfelelő időben érkezése komoly gondot jelenthet. Emellett azáltal, hogy az eszköz a mindennapi körülmények között képes méréseket végezni, és az adatokat továbbítani, a folyamatos monitorozás és betegkövetés megvalósítható általa.
Stressz-becslő funkciója hétköznapi körülmények között használható, ezáltal a fehérköpenyes szindróma kiküszöbölhető, a beteg általános stressz állapotáról kaphatunk információt. Mindezt az ujjak finomremegésének monitorozásával egybekötve, a Parkinson-kór egyik tünetét vizsgálhatjuk.

A célkitűzések megvalósításához elkészült hardver tehát egy kesztyűbe varrt szenzorrendszer: pulzoximéter, gyorsulásérzékelő, bőrimpedancia mérő, hőmérsékletszenzor. A mikroprocesszoros rendszerrel való összeköttetés és a fűtés szabályozás érdekében ezek egy NYÁK-ra kerültek, és a szenzorokkal I2C-s interfészen kommunikálnak. A jelfeldolgozás már a mikroprocesszoron megtörténik: a nyers jelen szűréseket végzek, és ezekből számolom az adott paramétereket, mint például a pulzus, véroxigén-szint, aktivitás, stressz-szint, stb. Mindezek egy adatbázisban is tárolásra kerülnek, majd az egységes és átlátható megjelenítés érdekében grafikus felületen is vizsgálhatjuk a paramétereket. Az összefüggések megtalálását gépi tanuló algoritmussal támogatom. Az algoritmus annál pontosabb eredményeket szolgáltat, minél több adattal tanítom. Az eredményekben látható, hogy az elmozdulásból vagy a környezeti hatásokból, körülményekből adódó zajok meghamisíthatják a méréseket. Ezeket az adatokat kellő körültekintéssel kell vizsgálni. A jelfeldolgozó algoritmusok ezeken a hibákon hivatottak javítani, a lehető leghitelesebb kiértékelést lehetővé téve.

 

A fentebb említett célkitűzés – egy modern szemléletmódú betegkövetéshez elkészített orvostechnikai eszköz és a hozzá tartozó platform – alapjait a projekt által sikerült lefektetni, erre lehet építkezni a jövőbeni továbbfejlesztés során. A kiindulási problémát pedig – a Raynaud-jelenség tüneti kezelését a beteg aktuális állapota alapján – akár jelenlegi állapotában is tökéletesen megoldja az eszköz.

A BME egészségügyi mérnök mesterképzésén folytatott tanulmányaim keretén belül egy olyan orvostechnikai eszközt fejlesztek, amellyel monitorozni lehet többek között a  Raynaud-jelenséget.

Ezen felül más betegségek megfigyelésére is alkalmas az eszközbe integrált szenzorrendszer.

Az ujjak finomremegésétől kezdve, a bőrimpedanciamérésen alapuló stresszbecslésen át, a pulzoximéterig minden megtalálható benne.

A mért élettani paraméterekből egy gépi tanuláson alapuló algoritmus (HMM) próbál következtetéseket levonni.

A projekt részletes dokumentációja az alábbi linken érhető el.

Okos kesztyű bemutatók

  • Kiindulás
  • Továbbfejlesztés
  • Hogyan készült?
  • Semmelweis Falling Walls Lab Budapest 2019
  • Q&A