Inginerii MIT dezvoltă autocolante cu ultrasunete care pot vedea în interiorul corpului

Inginerii MIT au conceput un plasture adeziv care produce imagini cu ultrasunete ale corpului. Dispozitivul de dimensiunea ștampilei se lipește de piele și poate oferi imagini cu ultrasunete continue ale organelor interne timp de 48 de ore. Credit: Felice Frankel

Noii adezivi cu ultrasunete de dimensiunea unei ștampile oferă imagini clare ale inimii, plămânilor și altor organe interne.

Atunci când clinicienii au nevoie de imagini live ale organelor interne ale pacientului, ei apelează adesea la imagistica cu ultrasunete pentru o fereastră sigură și neinvazivă în funcționarea corpului. Pentru a capta aceste imagini perspicace, tehnicieni instruiți manipulează baghetele și sondele cu ultrasunete pentru a direcționa undele sonore în corp. Aceste unde se reflectă înapoi și sunt folosite pentru a produce imagini de înaltă rezoluție ale inimii, plămânilor și altor organe profunde ale unui pacient.

Imagistica cu ultrasunete necesită în prezent echipamente voluminoase și specializate, disponibile doar în spitale și cabinete medicale. Cu toate acestea, un nou design dezvoltat de[{” attribute=””>MIT engineers might make the technology as wearable and accessible as buying Band-Aids at the drugstore.

The engineers presented the design for the new ultrasound sticker in a paper published on July 28 in the journal Science. The stamp-sized device sticks to skin and can provide continuous ultrasound imaging of internal organs for 48 hours.

To demonstrate the invention, the researchers applied the stickers to volunteers. They showed the devices produced live, high-resolution images of major blood vessels and deeper organs such as the heart, lungs, and stomach. As the volunteers performed various activities, including sitting, standing, jogging, and biking, the stickers maintained a strong adhesion and continued to capture changes in underlying organs.

In the current design, the stickers must be connected to instruments that translate the reflected sound waves into images. According to the researchers, the stickers could have immediate applications even in their current form. For example, the devices could be applied to patients in the hospital, similar to heart-monitoring EKG stickers, and could continuously image internal organs without requiring a technician to hold a probe in place for long periods of time.

Making the devices work wirelessly is a goal the team is currently working toward. If they are successful, the ultrasound stickers could be made into wearable imaging products that patients could take home from a doctor’s office or even buy at a pharmacy.

“We envision a few patches adhered to different locations on the body, and the patches would communicate with your cellphone, where AI algorithms would analyze the images on demand,” says the study’s senior author, Xuanhe Zhao, professor of mechanical engineering and civil and environmental engineering at MIT. “We believe we’ve opened a new era of wearable imaging: With a few patches on your body, you could see your internal organs.”

The study also includes lead authors Chonghe Wang and Xiaoyu Chen, and co-authors Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, and Tao Zhao at MIT, along with Hsiao-Chuan Liu of the Mayo Clinic in Rochester, Minnesota.

O problemă lipicioasă

Pentru a realiza imagini cu ultrasunete, un tehnician aplică mai întâi un gel lichid pe pielea pacientului, care acționează pentru a transmite undele de ultrasunete. O sondă sau traductor este apoi apăsată pe gel, trimițând unde sonore în corp care ecou în structurile interne și înapoi la sondă, unde semnalele eco sunt traduse în imagini vizuale.

Pentru pacienții care necesită perioade lungi de imagistică, unele spitale oferă sonde fixate pe brațele robotizate care pot ține un traductor pe loc fără a obosi, dar gelul lichid cu ultrasunete curge și se usucă în timp, întrerupând imagistica pe termen lung.

În ultimii ani, oamenii de știință au explorat modele pentru sonde cu ultrasunete extensibile care ar oferi imagini portabile, cu profil redus, ale organelor interne. Aceste modele au oferit o gamă flexibilă de traductoare cu ultrasunete minuscule, ideea fiind că un astfel de dispozitiv se va întinde și se va conforma corpului pacientului.

Dar aceste modele experimentale au produs imagini cu rezoluție scăzută, în parte datorită întinderii lor: în mișcarea cu corpul, traductoarele își schimbă locația unul față de celălalt, distorsionând imaginea rezultată.

„Un instrument de imagistică cu ultrasunete purtabil ar avea un potențial imens în viitorul diagnosticului clinic. Cu toate acestea, rezoluția și durata imagistică a plasturilor cu ultrasunete existente este relativ scăzută și nu pot realiza imagini de organe profunde”, spune Chonghe Wang, care este un student absolvent al MIT.

O privire în interior

Prin împerecherea unui strat adeziv elastic cu o serie rigidă de traductoare, noul autocolant cu ultrasunete al echipei MIT produce imagini cu rezoluție mai mare pe o durată mai lungă. „Această combinație permite dispozitivului să se conformeze pielii, menținând în același timp locația relativă a traductoarelor pentru a genera imagini mai clare și mai precise.” spune Wang.

Stratul adeziv al dispozitivului este format din două straturi subțiri de elastomer care încapsulează un strat mijlociu de hidrogel solid, un material pe bază de apă, care transmite cu ușurință undele sonore. Spre deosebire de gelurile tradiționale cu ultrasunete, hidrogelul echipei MIT este elastic și elastic.

„Elastomerul previne deshidratarea hidrogelului”, spune Chen, un postdoctorat MIT. „Numai atunci când hidrogelul este foarte hidratat, undele acustice pot pătrunde eficient și oferă imagini de înaltă rezoluție ale organelor interne”.

Stratul de elastomer inferior este conceput pentru a se lipi de piele, în timp ce stratul superior aderă la o serie rigidă de traductoare pe care echipa a proiectat și fabricat. Întregul autocolant cu ultrasunete măsoară aproximativ 2 centimetri pătrați în diametru și 3 milimetri grosime – aproximativ aria unui timbru poștal.

Cercetătorii au trecut autocolantul cu ultrasunete printr-o baterie de teste cu voluntari sănătoși, care au purtat autocolantele pe diferite părți ale corpului lor, inclusiv pe gât, piept, abdomen și brațe. Autocolantele au rămas lipite de pielea lor și au produs imagini clare ale structurilor subiacente timp de până la 48 de ore. În acest timp, voluntarii au desfășurat o varietate de activități în laborator, de la șezut și în picioare, până la jogging, ciclism și ridicarea greutăților.

Din imaginile autocolantelor, echipa a reușit să observe schimbarea diametrului vaselor de sânge majore atunci când stă așezat față de stând în picioare. Autocolantele au surprins și detalii ale organelor mai profunde, cum ar fi modul în care inima își schimbă forma pe măsură ce se exercită în timpul exercițiilor fizice. Cercetătorii au putut, de asemenea, să urmărească cum se întinde stomacul, apoi se micșorează în timp ce voluntarii au băut, apoi au scos sucul din organism. Și pe măsură ce unii voluntari ridicau greutăți, echipa a putut detecta modele strălucitoare în mușchii de bază, semnalând microdaune temporare.

„Cu ajutorul imaginilor, am putea surprinde momentul dintr-un antrenament înainte de suprasolicitare și să ne oprim înainte ca mușchii să devină dureri”, spune Chen. „Nu știm încă când ar putea fi acel moment, dar acum putem oferi date imagistice pe care experții le pot interpreta”.

Echipa de ingineri lucrează pentru ca autocolantele să funcționeze fără fir. De asemenea, ei dezvoltă algoritmi software bazați pe inteligența artificială care pot interpreta și diagnostica mai bine imaginile autocolantelor. Apoi, Zhao prevede că autocolantele cu ultrasunete ar putea fi ambalate și achiziționate de pacienți și consumatori și utilizate nu numai pentru a monitoriza diferite organe interne, ci și progresia tumorilor, precum și dezvoltarea făților în uter.

„Ne imaginăm că am putea avea o cutie de autocolante, fiecare proiectată să imagineze o locație diferită a corpului”, spune Zhao. „Credem că aceasta reprezintă o descoperire în ceea ce privește dispozitivele portabile și imagistica medicală”.

Referință: „Ecografia bioadezivă pentru imagistica continuă pe termen lung a diverselor organe” de Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou și Xuanhe Zhao, 28 iulie 2022, Ştiinţă.
DOI: 10.1126/science.abo2542

Această cercetare a fost finanțată, parțial, de MIT, Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată pentru Apărare, Fundația Națională pentru Știință, Institutele Naționale de Sănătate și Biroul de Cercetare al Armatei SUA prin Institutul pentru Nanotehnologii Soldaților de la MIT.

Leave a Comment