Obrazowanie ultradźwiękowe jest bezpiecznym i nieinwazyjnym wglądem w pracę organizmu, zapewniając klinicystom żywe obrazy narządów wewnętrznych pacjenta. Aby uchwycić te obrazy, przeszkoleni technicy manipulują ultradźwiękowymi różdżkami i sondami, aby skierować fale dźwiękowe do ciała. Fale te odbijają się z powrotem, tworząc obrazy serca, płuc i innych narządów głębokich pacjenta w wysokiej rozdzielczości.
Obecnie obrazowanie USG wymaga wielkogabarytowego i specjalistycznego sprzętu dostępnego tylko w szpitalach i gabinetach lekarskich. Ale nowy projekt inżynierów MIT może sprawić, że technologia będzie tak samo poręczna i dostępna, jak kupowanie plastra w aptece.
W artykule, który ukazał się dzisiaj w Science, inżynierowie przedstawiają projekt nowej naklejki ultradźwiękowej – urządzenia wielkości znaczka, które przykleja się do skóry i może zapewnić ciągłe obrazowanie ultradźwiękowe narządów wewnętrznych przez 48 godzin.
Naukowcy naklejali naklejki na ochotników i pokazali, że urządzenia wytwarzają żywe obrazy w wysokiej rozdzielczości głównych naczyń krwionośnych i głębszych narządów, takich jak serce, płuca i żołądek. Naklejki utrzymywały silną przyczepność i rejestrowały zmiany w leżących pod nimi narządach, gdy ochotnicy wykonywali różne czynności, w tym siedzenie, stanie, bieganie i jazdę na rowerze.
Obecny projekt wymaga podłączenia naklejek do instrumentów, które przekładają odbite fale dźwiękowe na obrazy. Naukowcy podkreślają, że nawet w obecnej formie naklejki mogą mieć natychmiastowe zastosowanie: na przykład urządzenia mogą być stosowane u pacjentów w szpitalu, podobnie jak naklejki EKG monitorujące serce, i mogą stale obrazować narządy wewnętrzne bez konieczności angażowania technika. trzymać sondę w miejscu przez długi czas.
Jeśli urządzenia będą mogły działać bezprzewodowo – co jest celem, nad którym obecnie pracuje zespół – naklejki ultradźwiękowe można by przekształcić w nadające się do noszenia produkty do obrazowania, które pacjenci mogliby zabrać do domu z gabinetu lekarskiego lub nawet kupić w aptece.
„Wyobrażamy sobie kilka plastrów przyklejonych do różnych miejsc na ciele, które będą komunikować się z telefonem komórkowym, gdzie algorytmy sztucznej inteligencji będą analizować obrazy na żądanie” – mówi starszy autor badania, Xuanhe Zhao, profesor inżynierii mechanicznej i cywilnej inżynieria środowiska na MIT. „Wierzymy, że otworzyliśmy nową erę obrazowania do noszenia: dzięki kilku łatkom na ciele możesz zobaczyć swoje narządy wewnętrzne”.
Badanie obejmuje również głównych autorów Chonghe Wang i Xiaoyu Chen oraz współautorów Liu Wang, Mitsutoshi Makihata i Tao Zhao z MIT, wraz z Hsiao-Chuan Liu z Mayo Clinic w Rochester w stanie Minnesota.
Przyklejony problem
Aby wykonać obraz za pomocą ultradźwięków, technik najpierw nakłada na skórę pacjenta płynny żel, który przenosi fale ultradźwiękowe. Sonda lub przetwornik jest następnie dociskana do żelu, wysyłając fale dźwiękowe do ciała, które odbijają się od wewnętrznych struktur iz powrotem do sondy, gdzie odbijane sygnały są przekształcane w obrazy wizualne.
Pacjentom, którzy wymagają długich okresów obrazowania, niektóre szpitale oferują sondy przymocowane do ramion robota, które mogą utrzymać głowicę w miejscu bez zmęczenia, ale płynny żel do ultradźwięków z czasem spływa i wysycha, przerywając obrazowanie długoterminowe.
W ostatnich latach naukowcy badali projekty rozciągliwych sond ultradźwiękowych, które zapewniałyby przenośne, niskoprofilowe obrazowanie narządów wewnętrznych. Projekty te dały elastyczny zestaw maleńkich przetworników ultradźwiękowych, a pomysł polegał na tym, że takie urządzenie będzie się rozciągać i dopasowywać do ciała pacjenta.
Ale te eksperymentalne projekty dały obrazy o niskiej rozdzielczości, częściowo ze względu na ich rozciągnięcie: poruszając się wraz z ciałem, przetworniki przesuwają się względem siebie, zniekształcając wynikowy obraz.
„Poręczne narzędzie do obrazowania ultrasonograficznego miałoby ogromny potencjał w przyszłej diagnostyce klinicznej. Jednak rozdzielczość i czas obrazowania istniejących łat ultrasonograficznych jest stosunkowo niski i nie mogą one obrazować narządów głębokich” – mówi Chonghe Wang, absolwent MIT.
Wygląd wnętrza
Nowa naklejka zespołu MIT pozwala uzyskać obrazy o wyższej rozdzielczości przez dłuższy czas dzięki połączeniu elastycznej warstwy adhezyjnej ze sztywnym układem głowic. „Ta kombinacja pozwala urządzeniu dopasowywać się do skóry przy jednoczesnym zachowaniu względnej lokalizacji przetworników, aby generować wyraźniejsze i bardziej precyzyjne obrazy”. mówi Wang.
Warstwa klejąca urządzenia jest wykonana z dwóch cienkich warstw elastomeru, które otaczają środkową warstwę stałego hydrożelu, materiału w większości na bazie wody, który z łatwością przenosi fale dźwiękowe. W przeciwieństwie do tradycyjnych żeli do ultradźwięków hydrożel opracowany przez zespół MIT jest elastyczny i rozciągliwy.
„Elastomer zapobiega odwodnieniu hydrożelu” – mówi Chen, stażysta MIT. „Tylko gdy hydrożel jest silnie nawodniony, fale akustyczne mogą skutecznie przenikać i dawać obrazowanie narządów wewnętrznych w wysokiej rozdzielczości”.
Dolna warstwa elastomeru została zaprojektowana tak, aby przyklejała się do skóry, podczas gdy górna warstwa przylega do sztywnego zestawu przetworników, które zespół również zaprojektował i wyprodukował. Cała naklejka USG ma około 2 centymetrów kwadratowych średnicy i 3 milimetry grubości – mniej więcej na obszarze znaczka pocztowego.
Naukowcy przeprowadzili naklejkę USG przez szereg testów na zdrowych ochotnikach, którzy nosili naklejki na różnych częściach ciała, w tym na szyi, klatce piersiowej, brzuchu i ramionach. Naklejki pozostały przyklejone do skóry i dawały wyraźne obrazy leżących pod nimi struktur przez maksymalnie 48 godzin. W tym czasie ochotnicy wykonywali różne czynności w laboratorium, od siedzenia i stania po bieganie, jazdę na rowerze i podnoszenie ciężarów.
Na podstawie obrazów naklejek zespół był w stanie zaobserwować zmieniającą się średnicę głównych naczyń krwionośnych podczas siedzenia i stania. Naklejki uchwyciły również szczegóły głębszych narządów, takie jak zmiany kształtu serca podczas ćwiczeń. Naukowcy byli również w stanie obserwować, jak żołądek rozciąga się, a następnie kurczy, gdy ochotnicy pili, a później wydalali sok ze swojego organizmu. A gdy niektórzy ochotnicy podnosili ciężary, zespół mógł wykryć jasne wzorce w leżących poniżej mięśniach, sygnalizując tymczasowe mikrouszkodzenia.
„Dzięki obrazowaniu możemy uchwycić moment treningu przed przeciążeniem i zatrzymać się, zanim mięśnie staną się bolesne” – mówi Chen. „Nie wiemy jeszcze, kiedy ten moment może nadejść, ale teraz możemy dostarczyć dane obrazowe, które eksperci mogą zinterpretować”.
Zespół pracuje nad tym, aby naklejki działały bezprzewodowo. Opracowują również algorytmy oprogramowania oparte na sztucznej inteligencji, które mogą lepiej interpretować i diagnozować obrazy naklejek. Następnie Zhao wyobraża sobie, że naklejki ultradźwiękowe mogłyby być pakowane i kupowane przez pacjentów i konsumentów i używane nie tylko do monitorowania różnych narządów wewnętrznych, ale także progresji guzów i rozwoju płodów w łonie matki.
„Wyobrażamy sobie, że moglibyśmy mieć pudełko naklejek, z których każda została zaprojektowana tak, aby przedstawiać inną lokalizację ciała” – mówi Zhao. „Wierzymy, że stanowi to przełom w urządzeniach do noszenia i obrazowaniu medycznym”.
Badania te były częściowo finansowane przez MIT, Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony, National Science Foundation, National Institutes of Health oraz US Army Research Office za pośrednictwem Instytutu Nanotechnologii Żołnierza w MIT.
Wideo: https://youtu.be/Kn2J8W4csNc