Ein tragbares Ultraschallgerät kann 48 Stunden lang eine kontinuierliche Bildgebung innerer Organe ermöglichen, während Patienten ihrem täglichen Leben nachgehen. Das von einem Team unter der Leitung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelte Gerät besteht aus einem starren piezoelektrischen Ultraschallarray, das über einen weichen bioadhäsiven Hydrogel-Elastomer-Hybrid an der Haut haftet. Beschreiben ihrer Ergebnisse in WissenschaftDie Forscher zeigen, dass das Pflaster das Herz, den Magen-Darm-Trakt, das Zwerchfell und die Lunge bei Aktivitäten wie Joggen oder dem Trinken von Flüssigkeiten abbilden kann.
Ultraschall ist eines der am häufigsten verwendeten Instrumente für die medizinische Bildgebung, hat jedoch seine Grenzen. Bei der Ultraschallbildgebung kommen sperrige und spezielle Geräte zum Einsatz und es sind geschulte Sonographen erforderlich, die den Schallkopf am Körper des Patienten positionieren. Dies beschränkt die Verwendung im Allgemeinen auf kurze, statische Sitzungen.
In den letzten Jahren gab es bedeutende Entwicklungen bei tragbaren Geräten für die kontinuierliche und nicht-invasive medizinische Überwachung. Während solche Geräte erfolgreich physiologische Daten messen, wie z Herzrhythmus und elektrische Aktivität und Metaboliten und Elektrolyte Im Schweiß der Haut hat sich die klinische Bildgebung innerer Organe als schwierig erwiesen.
„Ein tragbares Ultraschall-Bildgebungsgerät hätte großes Potenzial für die klinische Diagnose der Zukunft“, erklärt Erstautor Chonghe Wang, ein MIT-Absolvent. „Allerdings ist die Auflösung und Bilddauer vorhandener Ultraschallpflaster relativ gering und sie können tiefe Organe nicht abbilden.“
Frühere tragbare Ultraschallgeräte basierten in der Regel auf dehnbaren Wandlerarrays. Diese können sich zwar mit der Haut verformen, diese Flexibilität führt jedoch dazu, dass sich die Wandler relativ zueinander bewegen, was die Bildqualität verringert. Flexible Substrate begrenzen außerdem die Dichte der Wandler im Array, was sich auf die Bildauflösung auswirkt. Es gab auch Probleme damit, dass die Klebstoffe auf der Haut haften blieben und das Ultraschallsignal dämpften.
Das von Wang und Kollegen entwickelte neue Gerät enthält eine dünne und starre Ultraschallsonde, die aus einer hochdichten Anordnung piezoelektrischer Elemente besteht und über einen dehnbaren Hydrogel-Elastomer-Hybrid an der Haut haftet. „Diese Kombination ermöglicht es dem Gerät, sich an die Haut anzupassen und gleichzeitig die relative Position der Schallköpfe beizubehalten, um klarere und präzisere Bilder zu erzeugen“, erklärt Wang.
Das zu 90 % aus Wasser bestehende Hydrogel ermöglicht eine hochwertige akustische Übertragung auf die Haut, ähnlich wie die Gele, die bei einer Standard-Ultraschalluntersuchung verwendet werden, während die beiden dünnen Elastomere, die es einkapseln, ein Austrocknen verhindern. Die Gesamtdicke der Elastomermembran und des Bioklebers ist mit Biokleber beschichtet, um sie an der starren Ultraschallsonde und der Haut zu befestigen. Sie beträgt weniger als ein Viertel der akustischen Wellenlänge, um deren Auswirkungen auf die Schallübertragung zu minimieren. Der gesamte Aufnäher hat die Größe einer Briefmarke.
Mithilfe verschiedener Tests zeigten die Forscher, dass das tragbare Gerät mehr als 48 Stunden lang eine starke Haftung auf der Haut aufrechterhalten und hohen Zugkräften standhalten kann. Sie verwendeten auch gesunde Freiwillige, um eine 48-stündige kontinuierliche Bildgebung menschlicher Organe zu demonstrieren. Je nach Tiefe der abzubildenden Organe kamen Ultraschallsonden mit unterschiedlichen Frequenzen zum Einsatz.
Die Forscher konnten die Halsvene und die Halsschlagader im Nacken während dynamischer Körperbewegungen wie Halsdrehungen kontinuierlich abbilden. Sie beobachteten, wie sich der Durchmesser der Vene veränderte, wenn die Freiwilligen vom Sitzen oder Stehen ins Liegen wechselten, und konnten Veränderungen des Blutflusses und des Drucks in der Arterie messen, während die Freiwilligen joggten. Sie bildeten außerdem die Lungenfunktion, die Zwerchfellbewegung und die vier Herzkammern vor, während und nach sportlicher Betätigung wie Joggen und Radfahren ab; und beobachteten, wie sich der Magen füllte und entleerte, während die Freiwilligen tranken und der Saft durch ihr Verdauungssystem wanderte.
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Das Team arbeitet nun daran, die Aufkleber drahtlos zu machen und Algorithmen für künstliche Intelligenz zu entwickeln, die bei der Interpretation der Bilder helfen. „Wir stellen uns vor, wir könnten eine Schachtel mit Aufklebern haben, von denen jeder eine andere Stelle des Körpers abbilden soll“, sagt der leitende Autor Xuanhezhao. „Wir glauben, dass dies einen Durchbruch bei tragbaren Geräten und medizinischer Bildgebung darstellt.“
Schreiben in einem assoziierten Perspektivischer ArtikelPhilip Tan und Nanshu Lu warnen davor, dass trotz der Möglichkeiten, die der Patch bietet, Hindernisse zu überwinden sind. Insbesondere die Einbeziehung der umfangreichen Schaltkreise und Hardware, die zur Steuerung ausreichender Wandler für die medizinische 3D-Bildgebung erforderlich sind, könnte die Manövrierfähigkeit und Mobilität einschränken – etwas, bei dem die „Ultraschall-auf-einem-Chip“-Forschung Abhilfe schaffen könnte.
