Чтобы исключить догадки о грудном вскармливании, междисциплинарная команда инженеров, неонатологов и педиатров из Северо-Западного университета разработала новое носимое устройство, которое может обеспечить непрерывный мониторинг потребления грудного молока на клиническом уровне.

Ненавязчивое устройство мягко и удобно обхватывает грудь кормящей матери во время грудного вскармливания и по беспроводной сети передает данные на смартфон или планшет. Затем мать может просмотреть графическое отображение того, сколько молока выпил ее ребенок в режиме реального времени.

Устраняя неопределенность, устройство может обеспечить родителям душевное спокойствие в течение первых дней и недель жизни их ребенка. В частности, новая технология могла бы помочь снизить беспокойство родителей и улучшить клиническое управление питанием уязвимых младенцев в отделении интенсивной терапии новорожденных (NICU).

Исследование будет опубликовано в среду (14 мая) в журнале Nature Biomedical Engineering. Чтобы обеспечить его точность и практичность, устройство прошло несколько этапов тщательной оценки, включая теоретическое моделирование, лабораторные эксперименты и тестирование на группе молодых матерей в больнице.

"Точное знание того, сколько молока получает младенец во время грудного вскармливания, уже давно является проблемой как для родителей, так и для медицинских работников", - сказал Джон А. Роджерс из Northwestern, который руководил разработкой устройства. "Эта технология устраняет эту неопределенность, предлагая удобный и надежный способ контролировать потребление молока в режиме реального времени, будь то в больнице или дома".

"Неопределенность в отношении того, получает ли младенец достаточное питание, может вызвать стресс в семьях, особенно у кормящих матерей с недоношенными детьми в отделении интенсивной терапии", - сказал доктор Дэниел Робинсон, неонатолог из Северо-Западной медицины и соавтор исследования. "В настоящее время существуют только громоздкие способы измерения того, сколько молока потребил ребенок во время грудного вскармливания, такие как взвешивание ребенка до и после кормления. Мы ожидаем, что этот датчик станет большим достижением в области поддержки лактации, снизит стресс для семей и повысит уверенность врачей, поскольку младенцы добиваются прогресса в грудном вскармливании, но все еще нуждаются в питательной поддержке. Уменьшение неопределенности и помощь семьям в достижении их целей по грудному вскармливанию приведут к более здоровым детям, более здоровым матерям и более здоровым сообществам".

Пионер биоэлектроники, Роджерс является профессором материаловедения и инженерии, биомедицинской инженерии и неврологической хирургии в Северо-Западном университете имени Луиса Симпсона и Кимберли Куэрри, где он работает в инженерной школе Маккормика и медицинской школе Файнберга, а также директором Института биоэлектроники Куэрри Симпсона (QSIB). Робинсон является адъюнкт-профессором педиатрии в Фейнберге и лечащим врачом отделения неонатологии в Детской больнице Энн и Роберта Х. Лури в Чикаго. Роджерс и Робинсон совместно руководили исследованием с доктором Крейгом Гарфилдом, профессором педиатрии в Фейнберге и лечащим врачом Детского центра Лурье, и доктором Дженнифер Уикс, педиатром детского центра Лурье.

Три постдокторских исследователя QSIB внесли равный вклад в проект, каждый из которых в настоящее время является преподавателем в Корее: Джихе Ким, доцент университета Аджу, руководил разработкой устройства и поддерживал клинические испытания; Сейонг О, доцент Университета Ханьян, разработал беспроводную электронику; и Чжэ Ен Ю, доцент университета Сонгюнкван, разработал методы анализа данных. Ким и О являются соавторами совместно с Рауделем Авилой, доцентом кафедры машиностроения в Университете Райса и выпускником Северо-Западного университета, который руководил вычислительным моделированием.

Удовлетворение неудовлетворенной потребности

Проект начался четыре года назад, когда неонатологи и педиатры Детского центра Лурье обратились к команде Роджерса с критической неудовлетворенной потребностью. Поскольку передача молока от матери к ребенку во время грудного вскармливания незаметна, а поток молока меняется, практически невозможно определить точный объем молока, потребляемого ребенком за один присест.

"В настоящее время нет надежных способов узнать, сколько едят дети во время грудного вскармливания", - говорит Уикс, мать троих детей. "Некоторые педиатры и консультанты по лактации используют весы для взвешивания ребенка до и после кормления, и это измерение дает достоверную оценку количества выпитого ребенком молока. Но, к сожалению, детские весы не маленькие, и у большинства людей нет детских весов. Таким образом, хотя это может дать приблизительную оценку, это неудобно".

В качестве другого варианта матери могут сцеживать грудное молоко в бутылочку. В то время как кормление из бутылочки обеспечивает точное измерение объема и визуальную уверенность в том, что ребенок потребляет молоко, оно сводит на нет преимущества контакта кожа к коже. А дополнительные этапы сцеживания, хранения и обработки молока отнимают много времени и могут даже увеличить риск бактериального заражения.

"У грудного вскармливания есть несколько преимуществ по сравнению с кормлением грудным молоком из бутылочки", - сказал Уикс. "Прежде всего, эта связь "кожа к коже" полезна как для младенцев, так и для мам. Кроме того, фактическое грудное вскармливание часто лучше стимулирует выработку молока."

Хотя другие академические исследователи и небольшие начинающие компании изучали технологии для мониторинга аспектов грудного молока и кормления грудью, рецензируемых исследований мало.

"Основываясь на наших обзорах научной литературы и наших беседах с педиатрами и неонатологами, не существует клинически подтвержденных технологий, которые удовлетворяли бы эту важную медицинскую потребность", - сказал Роджерс. "Наша работа восполняет этот пробел".

Определение правильной стратегии

Ранее команда Роджерса разработала мягкие, гибкие беспроводные датчики тела для наблюдения за младенцами в отделении интенсивной терапии, а также носимые датчики для отслеживания оттока жидкости через шунты, которые обычно используются для лечения пациентов с гидроцефалией. Обладая опытом работы с уязвимыми группами населения и разработки устройств, способных измерять расход жидкости, Роджерс и его команда были идеальными кандидатами для этого проекта.

"Наши коллеги-клиницисты спросили нас, можем ли мы разработать датчик, который позволил бы молодым матерям определять, сколько молока потребляют их дети во время кормления грудью", - сказал Роджерс. "Сначала мы не были уверены, как подойти к решению проблемы. Стратегии, которые мы использовали для отслеживания потока через шунты, когда они проходят через участки, расположенные поверхностно под кожей, не работают, потому что молочные протоки находятся слишком далеко под поверхностью кожи ".

После многих лет безуспешных попыток, основанных на методах мониторинга оптических свойств груди, количественной оценки движений при сосании, отслеживания глотания и некоторых других, инженеры, наконец, остановились на удивительно простой методике. Устройство посылает крошечный, безопасный электрический ток через грудь с помощью двух маленьких подушечек, или электродов, размещенных на коже. Другая пара электродов фиксирует разность напряжений, связанную с этим током.

По мере того как ребенок пьет молоко, количество молока в груди уменьшается. Это уменьшение приводит к изменению электрических свойств молочной железы едва заметным, но поддающимся измерению образом. Эти изменения напрямую связаны с количеством молока, удаляемого из груди. Чем больше это количество, тем больше изменение электрических свойств. Несмотря на незначительность, это изменение может быть точно откалибровано и количественно оценено для отображения в режиме реального времени на смартфоне во время грудного вскармливания.

"Это концепция, называемая биоимпедансом, и она обычно используется для измерения жировых отложений", - сказал Роджерс. "Поскольку мышцы, жир, кости и ткани по-разному проводят электричество, биоимпеданс может дать точное измерение содержания жира. Концептуально аналогичным образом мы можем количественно оценить изменение объема молока в груди. К сожалению, это была последняя стратегия, которую мы испробовали. Но, к счастью, мы обнаружили, что смогли заставить это работать действительно хорошо".

Тщательное тестирование

После разработки первоначальных прототипов команда инженеров оптимизировала его с помощью нескольких этапов тестирования и моделирования. Сначала они создали упрощенные модели груди, используя материалы, имитирующие электрические свойства кожи, жира и молока. Точно контролируя количество "молока" в этих моделях, исследователи могли видеть, как изменялись данные устройства по мере изменения объема "молока".

Затем команда под руководством Авилы из Rice создала подробные компьютерные модели груди, основанные на реальной анатомии. Их компьютерное моделирование, основанное на физике, отслеживало физиологические изменения, происходящие во время грудного вскармливания. Используя биоимпеданс, Авила связала поток электрических сигналов с количеством молока, выходящего из груди, в режиме реального времени. Анатомически правильные компьютерные модели, разработанные его командой, учитывают специфические для пациента формы груди и распределение тканей, что позволяет им проверить, как расположение датчиков и вариации тканей влияют на показания.

"Результаты нашего моделирования соответствовали тенденциям экспериментов и клинических исследований на людях", - сказал Авила. "Подключение наших моделей к воздействию в реальном мире всегда является изюминкой, и это возможно только благодаря сотрудничеству между экспериментальными, модельными и клиническими командами".

Персонализированный для всех форм и размеров

Получившееся устройство представляет собой тонкий, мягкий, податливый шнур, который слегка обматывается по внешней окружности груди. Электроды, которые мягко прилегают к коже, встроены в каждый конец шнура. Небольшая, легкая "базовая станция", которая также мягко крепится к коже, расположена в середине шнура между электродами. Заключенная в мягкий силиконовый корпус базовая станция содержит небольшую перезаряжаемую батарею, технологию Bluetooth для беспроводной передачи данных и чип памяти.

Поскольку у каждой матери есть различия в плотности, форме и размере груди, устройство может быть персонализировано с помощью одной калибровки. Для калибровки системы мать надевает устройство во время использования молокоотсоса, подсоединенного к бутылочке с маркировкой объема. Это позволяет пользователю знать точный объем сцеживаемого молока за определенный период времени. Тем временем устройство регистрирует электрические свойства груди на протяжении всего процесса сцеживания. Эта схема калибровки учит устройство, как интерпретировать изменения в электрических сигналах для каждой конкретной матери.

После разработки прототипов команда протестировала устройство на 12 кормящих матерях - как в отделении интенсивной терапии, так и дома. Чтобы оценить, было ли устройство стабильным и надежным с течением времени, исследователи провели несколько измерений у одних и тех же матерей в течение 17 недель.

На этом первом этапе тестирования матери надевали датчик во время сцеживания, поскольку этот важный этап требовал точного знания количества сцеживаемого матерями молока. В ходе одного сеанса тестирования исследователи сравнили данные устройства с разницей в весе ребенка до и после грудного вскармливания. В целом, при тестировании во время сцеживания результаты между количеством во флаконе и количеством, обнаруженным датчиком, были поразительно схожими.

Улучшение ухода в отделении интенсивной терапии

В то время как устройство обеспечило бы уверенность и полезную информацию всем родителям, Робинсон и Уикс говорят, что младенцы в отделении интенсивной терапии больше всего выиграют от тщательного наблюдения. Точное знание того, сколько съедает ребенок в отделении интенсивной терапии, даже более важно, чем для здоровых доношенных младенцев.

У этих детей часто есть точные потребности в питании. Например, у недоношенных детей может быть недоразвитая пищеварительная система, что делает их более уязвимыми к непереносимости кормления. Точные объемы кормления могут помочь свести к минимуму риск развития кишечных расстройств и рефлюкса.

"Некоторые дети ограничены определенным количеством кормлений за раз", - сказал Уикс. "Младенцам, которые родились недоношенными или выздоравливают после операции, можно употреблять небольшое количество молока очень медленно. Часто мы не можем позволить им кормить грудью, потому что у нас нет возможности узнать, сколько молока они получают от мамы. Наличие датчика для контроля этого позволило бы этим детям более успешно кормить грудью вместе со своей мамой".

Направления на будущее

Чтобы стать еще более удобной в использовании, исследователи предполагают, что технология в конечном итоге может быть интегрирована в удобное нижнее белье, такое как бюстгальтеры для грудного вскармливания. Это еще больше повысило бы простоту использования устройства и общий комфорт для матерей.

Исследователи все еще планируют завершить всестороннее сравнение результатов взвешивания до и после кормления. Команда также стремится обеспечить, чтобы датчик можно было использовать матерям с широким диапазоном оттенков кожи. В то время как текущая версия устройства определяет количество молока, вытекающего из груди, будущие версии могут измерять поступление молока в грудь. Тогда матери могли бы отслеживать изменения в выработке молока с течением времени. Команда также планирует продолжить оптимизацию устройства, чтобы оно могло получать еще больше информации, например, о качестве молока и содержании жира.

"Грудное вскармливание может быть чрезвычайно эмоциональным для матерей, отчасти из-за неопределенности в отношении того, сколько молока получают их дети", - сказал Уикс. "Это может сопровождаться большой грустью, потому что матери чувствуют тревогу и ощущение, что они плохо выполняют свою работу. Часто матери испытывают беспокойство, разочарование или симптомы депрессии и полностью отказываются от грудного вскармливания.

"Есть много факторов, которые затрудняют грудное вскармливание. Возможность устранить одну частичку неуверенности и помочь убедить их в том, что они производят достаточно молока, действительно поможет уменьшить часть этого стресса и беспокойства. Для всех мам по всему миру, которые находятся на самых разных стадиях грудного вскармливания, это устройство будет невероятно полезным. Мы с нетерпением ждем возможности донести это до большего числа людей".