Inżynierowie i lekarze opracowali nadające się do noszenia urządzenie ultrasonograficzne, które może oceniać zarówno strukturę, jak i funkcję ludzkiego serca. Przenośne urządzenie, które jest mniej więcej wielkości znaczka pocztowego, można nosić do 24 godzin i działa nawet podczas forsownych ćwiczeń.
Celem jest uczynienie ultradźwięków bardziej dostępnymi dla większej populacji, powiedział Sheng Xu, profesor nanoinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, który kieruje projektem. Obecnie echokardiogramy – badania ultrasonograficzne serca – wymagają wysoko wykwalifikowanych techników i nieporęcznych urządzeń.
„Technologia umożliwia każdemu korzystanie z obrazowania ultrasonograficznego w podróży” – powiedział Xu.
Dzięki niestandardowym algorytmom AI urządzenie jest w stanie zmierzyć, ile krwi pompuje serce. Jest to ważne, ponieważ serce nie pompuje wystarczającej ilości krwi, co leży u podstaw większości chorób sercowo-naczyniowych. A problemy z pracą serca często objawiają się tylko wtedy, gdy ciało jest w ruchu.
Praca została opisana w numerze magazynu Nature z 25 stycznia.
Obrazowanie serca jest niezbędnym narzędziem klinicznym do długoterminowej oceny stanu zdrowia serca, wykrywania pojawiających się problemów i opieki nad pacjentami w stanie krytycznym. Ten nowy, nadający się do noszenia, nieinwazyjny monitor serca dla ludzi zapewnia w czasie rzeczywistym, zautomatyzowany wgląd w trudną do uchwycenia aktywność pompowania serca, nawet gdy dana osoba ćwiczy.
System monitorowania serca do noszenia wykorzystuje ultradźwięki do ciągłego rejestrowania obrazów czterech komór serca pod różnymi kątami i analizowania istotnego klinicznie podzbioru obrazów w czasie rzeczywistym za pomocą specjalnie opracowanej technologii sztucznej inteligencji. Projekt opiera się na wcześniejszych postępach zespołu w technologiach obrazowania tkanek głębokich do noszenia.
„Rosnące ryzyko chorób serca wymaga bardziej zaawansowanych i kompleksowych procedur monitorowania” – powiedział Xu. „Dostarczając pacjentom i lekarzom dokładniejszych szczegółów, ciągłe monitorowanie obrazu serca w czasie rzeczywistym może fundamentalnie zoptymalizować i zmienić paradygmat diagnostyki kardiologicznej”.
Dla porównania, istniejące metody nieinwazyjne mają ograniczone możliwości pobierania próbek i dostarczają ograniczonych danych. Technologia ubieralna opracowana przez zespół Xu umożliwia bezpieczne, nieinwazyjne i wysokiej jakości obrazowanie serca, dając obrazy o wysokiej rozdzielczości przestrzennej, rozdzielczości czasowej i kontraście. „Minimalizuje również dyskomfort pacjenta i pokonuje pewne ograniczenia nieinwazyjnych technologii, takich jak CT i PET, które mogą narażać pacjentów na promieniowanie” – powiedział Hao Huang, doktorant w grupie Xu w UC San Diego.
Unikalna konstrukcja czujnika sprawia, że idealnie nadaje się do obiektów w ruchu. „Urządzenie można przymocować do klatki piersiowej przy minimalnym ograniczeniu ruchu badanych, zapewniając nawet ciągłe rejestrowanie czynności serca przed, w trakcie i po wysiłku” – powiedział Xiaoxiang Gao, badacz ze stopniem doktora w grupie Xu w UC San Diego.
Znaczenie obrazowania serca
Choroby serca są główną przyczyną zgonów wśród osób starszych, a także stają się coraz bardziej rozpowszechnione wśród młodych ze względu na czynniki związane ze stylem życia. Oznaki chorób serca są przejściowe i nieprzewidywalne, przez co trudno je dostrzec. Zwiększyło to zapotrzebowanie na bardziej zaawansowane, inkluzywne, nieinwazyjne i opłacalne technologie monitorowania, takie jak długoterminowe obrazowanie serca, które ułatwia to urządzenie do noszenia.
Obrazowanie serca jest jednym z najpotężniejszych narzędzi do badań przesiewowych i diagnozowania problemów z sercem, zanim staną się poważnymi problemami. „Serce podlega różnego rodzaju patologiom” – powiedział Hongjie Hu, doktor habilitowany w laboratorium Xu w UC San Diego. „Obrazowanie serca ujawni prawdziwą historię poniżej. Niezależnie od tego, czy silny, ale normalny skurcz komór serca prowadzi do fluktuacji objętości, czy też wystąpił problem morfologiczny serca w nagłym przypadku, monitorowanie obrazu serca w czasie rzeczywistym mówi cały obraz z żywymi szczegółami i efektami wizualnymi”.
Jak to działa w szczegółach
Nowy system zbiera informacje za pomocą nadającej się do noszenia plastra, tak miękkiego jak ludzka skóra, zaprojektowanego z myślą o optymalnym przyleganiu. Naszywka ma wymiary 1,9 cm (dł.) x 2,2 cm (szer.) x 0,09 cm (gł.), mniej więcej wielkości znaczka pocztowego. Wysyła i odbiera fale ultradźwiękowe, które służą do generowania ciągłego strumienia obrazów struktury serca w czasie rzeczywistym. Ten plaster ultradźwiękowy jest miękki i rozciągliwy oraz dobrze przylega do ludzkiej skóry, nawet podczas ćwiczeń.
System może badać lewą komorę serca w oddzielnych widokach dwupłaszczyznowych za pomocą ultradźwięków, generując więcej klinicznie użytecznych obrazów niż było to wcześniej dostępne. Jako przypadek użycia zespół zademonstrował obrazowanie serca podczas ćwiczeń, co nie jest możliwe w przypadku sztywnego, nieporęcznego sprzętu używanego w warunkach klinicznych.
Wydolność serca charakteryzuje się trzema czynnikami: objętością wyrzutową (objętość krwi, którą serce wypompowuje przy każdym uderzeniu), frakcją wyrzutową (procent krwi wypompowywanej z lewej komory serca przy każdym uderzeniu) i pojemnością minutową serca ( objętość krwi, którą serce wypompowuje co minutę).
Zespół Xu opracował algorytm ułatwiający ciągłe automatyczne przetwarzanie wspomagane przez sztuczną inteligencję.
„Model głębokiego uczenia się automatycznie segmentuje kształt lewej komory z ciągłego zapisu obrazu, wydobywając jej objętość klatka po klatce i generując krzywe do pomiaru objętości wyrzutowej, pojemności minutowej serca i frakcji wyrzutowej” – powiedział Mohan Li, student studiów magisterskich w grupa Xu z UC San Diego.
„W szczególności komponent AI obejmuje model głębokiego uczenia się do segmentacji obrazu, algorytm obliczania objętości serca i algorytm imputacji danych” – powiedział Ruixiang Qi, student studiów magisterskich w grupie Xu w UC San Diego. „Używamy tego modelu uczenia maszynowego do obliczania objętości serca na podstawie kształtu i obszaru segmentacji lewej komory. Model głębokiego uczenia obrazowania i segmentacji jest pierwszym, który został sfunkcjonalizowany w przenośnych urządzeniach ultrasonograficznych. Umożliwia urządzeniu dostarczanie dokładnych i ciągłych przebiegów kluczowych wskaźników sercowych w różnych stanach fizycznych, w tym statycznych i powysiłkowych, czego nigdy wcześniej nie osiągnięto”.
W ten sposób technologia ta może generować krzywe tych trzech wskaźników w sposób ciągły i nieinwazyjny, ponieważ komponent AI przetwarza ciągły strumień obrazów w celu generowania liczb i krzywych.
Aby stworzyć platformę, zespół stanął przed pewnymi wyzwaniami technicznymi, które wymagały starannego podejmowania decyzji. Aby wyprodukować samo urządzenie do noszenia, naukowcy wykorzystali piezoelektryczny kompozyt 1-3 połączony z podkładem epoksydowym Ag jako materiałem na przetworniki w ultrasonografie, zmniejszając ryzyko i poprawiając wydajność w porównaniu z poprzednimi metodami. Wybierając konfigurację transmisji zestawu przetworników, osiągnięto doskonałe wyniki dzięki szerokopasmowej transmisji złożonej. Wybrali również spośród dziewięciu popularnych modeli segmentacji obrazu opartej na uczeniu maszynowym, lądując na FCN-32, który osiągnął najwyższą możliwą dokładność.
W obecnej iteracji łatka jest połączona kablami z komputerem, który może automatycznie pobierać dane, gdy łatka jest nadal włączona. Zespół opracował obwód bezprzewodowy dla łatki, który zostanie omówiony w nadchodzącej publikacji.
Następne kroki
Xu planuje skomercjalizować tę technologię za pośrednictwem Softsonics, firmy wydzielonej z UC San Diego, którą założył wraz z inżynierem Shu Xiangiem. Zachęca także innych członków swojej społeczności naukowej do pójścia w jego ślady i pracy nad obszarami tych badań, które wymagają dalszej eksploracji.
Aby śledzić te wyniki, Xu zaleca cztery następujące kroki:
Obrazowanie w trybie B, które zapewnia więcej możliwości diagnostycznych obejmujących różne narządy Projekt soft imagera, który pozwala naukowcom wytwarzać duże sondy przetwornikowe, które pokrywają wiele pozycji jednocześnie Miniaturyzacja systemu zaplecza, który zasila soft imager Praca nad ogólną maszyną model uczenia się, który pasuje do większej liczby przedmiotów
Ta praca była wspierana przez National Institutes of Health (1R21EB025521-01, 1R21EB027303-01A1, 3R21EB027303-02S1 i 1R01EB033464-01).