Un dispositivo a ultrasuoni indossabile può fornire 48 ore di imaging continuo degli organi interni mentre i pazienti svolgono la loro vita quotidiana. Il dispositivo – sviluppato da un team diretto al Massachusetts Institute of Technology (MIT) – è costituito da un array rigido di ultrasuoni piezoelettrici che aderisce alla pelle tramite un morbido ibrido idrogel-elastomero bioadesivo. Descrivendo le loro scoperte in Scienze, i ricercatori dimostrano che il cerotto può visualizzare il cuore, il tratto gastrointestinale, il diaframma e i polmoni durante attività come fare jogging o bere liquidi.
L'ecografia è uno degli strumenti più utilizzati per l'imaging medico, ma ha i suoi limiti. L'imaging a ultrasuoni utilizza attrezzature ingombranti e specializzate e richiede ecografisti addestrati per posizionare il trasduttore sul corpo del paziente. Questo generalmente ne limita l'uso a sessioni brevi e statiche.
Negli ultimi anni ci sono stati sviluppi significativi nei dispositivi indossabili per il monitoraggio medico continuo e non invasivo. Mentre tali dispositivi hanno misurato con successo dati fisiologici come ritmo cardiaco ed attività elettricae metaboliti ed elettroliti nel sudore dalla pelle, l'imaging di grado clinico degli organi interni si è rivelato impegnativo.
«Uno strumento di imaging a ultrasuoni indossabile avrebbe un enorme potenziale nel futuro della diagnosi clinica», spiega il primo autore Chonghe Wang, uno studente laureato del MIT. "Tuttavia, la risoluzione e la durata dell'imaging dei cerotti ecografici esistenti sono relativamente basse e non possono visualizzare organi profondi".
I precedenti dispositivi a ultrasuoni indossabili tendevano a fare affidamento su matrici di trasduttori estensibili. Mentre questi possono deformarsi con la pelle, questa flessibilità fa sì che i trasduttori si muovano l'uno rispetto all'altro, riducendo la qualità dell'immagine. I substrati flessibili limitano anche la densità dei trasduttori nell'array, influenzando la risoluzione dell'immagine. Ci sono stati anche problemi con gli adesivi che rimanevano attaccati alla pelle e smorzavano il segnale ultrasonico.
Il nuovo dispositivo sviluppato da Wang e colleghi contiene una sonda ecografica sottile e rigida, costituita da una matrice ad alta densità di elementi piezoelettrici, che aderisce alla pelle tramite un ibrido elastico idrogel-elastomero. "Questa combinazione consente al dispositivo di conformarsi alla pelle mantenendo la posizione relativa dei trasduttori per generare immagini più chiare e precise", spiega Wang.
L'idrogel d'acqua al 90% consente una trasmissione acustica di alta qualità alla pelle, proprio come i gel utilizzati in un esame ecografico standard, mentre i due sottili elastomeri che lo incapsulano ne impediscono l'essiccazione. Rivestito con bioadesivo per unirlo alla sonda ultrasonica rigida e alla pelle, lo spessore totale della membrana elastomerica e del bioadesivo è inferiore a un quarto della lunghezza d'onda acustica per minimizzarne l'impatto sulla trasmissione acustica. L'intera patch è di dimensioni simili a un francobollo.
Utilizzando una serie di test, i ricercatori hanno dimostrato che il dispositivo indossabile può mantenere una forte adesione alla pelle per più di 48 ore e resistere a forze di trazione elevate. Hanno anche utilizzato volontari sani per dimostrare l'imaging continuo di 48 ore di organi umani. Sono state utilizzate sonde ecografiche con frequenze diverse a seconda della profondità degli organi sottoposti a imaging.
I ricercatori sono stati in grado di visualizzare continuamente la vena giugulare e l'arteria carotide nel collo durante i movimenti dinamici del corpo come le rotazioni del collo. Hanno osservato il diametro della vena cambiare mentre i volontari si spostavano da seduti o in piedi a sdraiati e sono stati in grado di misurare i cambiamenti nel flusso sanguigno e nella pressione nell'arteria mentre i volontari facevano jogging. Hanno anche ripreso la funzione polmonare, il movimento del diaframma e le quattro camere del cuore prima, durante e dopo esercizi come jogging e ciclismo; e ha osservato lo stomaco che si riempiva e si svuotava mentre i volontari bevevano e il succo si muoveva attraverso il loro sistema digestivo.
L'esotuta robotica utilizza l'imaging a ultrasuoni per fornire assistenza personalizzata per la deambulazione
Il team sta ora lavorando per rendere wireless gli adesivi e sviluppare algoritmi di intelligenza artificiale per aiutare a interpretare le immagini. "Immaginiamo di poter avere una scatola di adesivi, ciascuno progettato per rappresentare una diversa posizione del corpo", afferma l'autore senior Xuanhezhao. "Riteniamo che questo rappresenti una svolta nei dispositivi indossabili e nell'imaging medico".
Scrivere in un associato articolo prospettico, Philip Tan e Nanshu Lu avvertono che, nonostante le opportunità offerte dalla patch, ci sono ostacoli da superare. In particolare, incorporare l'ampia circuiteria e l'hardware necessari per controllare un numero sufficiente di trasduttori per l'imaging medico 3D potrebbe limitare la manovrabilità e la mobilità, qualcosa che la ricerca "ultrasuoni su un chip" potrebbe aiutare.
