En bærbar ultralydsenhed kan give 48 timers kontinuerlig billeddannelse af indre organer, mens patienter går i gang med deres daglige liv. Enheden – udviklet af et team ledet af Massachusetts Institute of Technology (MIT) – består af et stift piezoelektrisk ultralydsarray, der klæber til huden via en blød bioadhæsiv hydrogel-elastomer-hybrid. Beskriver deres resultater i Videnskab, demonstrerer forskerne, at plasteret kan afbilde hjertet, mave-tarmkanalen, mellemgulvet og lungerne under aktiviteter såsom jogging eller drikkevand.
Ultralyd er et af de mest brugte værktøjer til medicinsk billeddannelse, men det har sine begrænsninger. Ultralydsbilleddannelse bruger omfangsrigt og specialiseret udstyr og kræver uddannede sonografer til at placere transduceren på patientens krop. Dette begrænser generelt brugen til korte, statiske sessioner.
I de senere år har der været en betydelig udvikling inden for bærbare enheder til kontinuerlig og ikke-invasiv medicinsk overvågning. Mens sådanne enheder med succes har målt fysiologiske data som f.eks hjerterytme , elektrisk aktivitetog metabolitter og elektrolytter i sved fra huden har klinisk kvalitet billeddannelse af indre organer vist sig udfordrende.
"Et bærbart ultralydsbilledværktøj ville have et stort potentiale i fremtiden for klinisk diagnose," forklarer førsteforfatter Chonghe Wang, en MIT kandidatstuderende. "Men opløsningen og billedvarigheden af eksisterende ultralydsplastre er relativt lav, og de kan ikke afbilde dybe organer."
Tidligere bærbare ultralydsenheder har haft en tendens til at stole på strækbare transducer-arrays. Selvom disse kan deformeres med huden, får denne fleksibilitet transducerne til at bevæge sig i forhold til hinanden, hvilket reducerer billedkvaliteten. Fleksible substrater begrænser også tætheden af transducere i arrayet, hvilket påvirker billedopløsningen. Der har også været problemer med, at klæbemidlerne forbliver fastgjort til huden og dæmper ultralydssignalet.
Den nye enhed udviklet af Wang og kolleger indeholder en tynd og stiv ultralydssonde, der består af en række piezoelektriske elementer med høj tæthed, der klæber til huden via en elastisk hydrogel-elastomer-hybrid. "Denne kombination gør det muligt for enheden at tilpasse sig huden og samtidig bevare transducernes relative placering for at generere klarere og mere præcise billeder," forklarer Wang.
Den 90 % vandhydrogel muliggør akustisk transmission af høj kvalitet til huden, ligesom de geler, der bruges i en standard ultralydsundersøgelse, mens de to tynde elastomerer, der indkapsler den, forhindrer den i at tørre ud. Belagt med bioadhæsiv for at binde det til den stive ultralydssonde og hud, er den samlede tykkelse af elastomermembranen og bioadhæsivet mindre end en fjerdedel af den akustiske bølgelængde for at minimere dens indvirkning på akustisk transmission. Hele plasteret svarer i størrelse til et frimærke.
Ved hjælp af en række tests viste forskerne, at den bærbare enhed kan opretholde en stærk vedhæftning til huden i mere end 48 timer og modstå høje trækkræfter. De brugte også raske frivillige til at demonstrere 48-timers kontinuerlig billeddannelse af menneskelige organer. Ultralydsonder med forskellige frekvenser blev brugt afhængigt af dybden af de organer, der blev afbildet.
Forskerne var i stand til kontinuerligt at afbilde halsvenen og halspulsåren i nakken under dynamiske kropsbevægelser såsom nakkerotationer. De observerede, at diameteren af venen ændrede sig, efterhånden som frivillige flyttede fra at sidde eller stå til at ligge ned, og de var i stand til at måle ændringer i blodgennemstrømning og tryk i arterien, mens frivillige joggede. De afbildede også lungefunktion, mellemgulvsbevægelse og de fire hjertekamre før, under og efter træning som jogging og cykling; og observerede maven fyldes og tømmes, mens frivillige drak, og saften bevægede sig gennem deres fordøjelsessystem.
Robotic exosuit bruger ultralydsbilleddannelse til at give personlig ganghjælp
Holdet arbejder nu på at gøre klistermærkerne trådløse og udvikler kunstig intelligens-algoritmer til at hjælpe med at fortolke billederne. "Vi forestiller os, at vi kunne have en kasse med klistermærker, hver designet til at afbilde en anden placering af kroppen," siger seniorforfatter Xuanhezhao. "Vi mener, at dette repræsenterer et gennembrud inden for bærbare enheder og medicinsk billedbehandling."
Skrivning i en tilknyttet perspektiv artikel, Philip Tan og Nanshu Lu advarer om, at på trods af de muligheder, som patchen giver, er der forhindringer at overvinde. Især at inkorporere det omfattende kredsløb og hardware, der kræves til at kontrollere nok transducere til 3D medicinsk billeddannelse, kunne begrænse manøvredygtighed og mobilitet - noget, som forskning i "ultralyd på en chip" kunne hjælpe med.
