Een draagbaar echografieapparaat kan 48 uur lang continue beeldvorming van inwendige organen bieden terwijl patiënten hun dagelijkse leven leiden. Het apparaat – ontwikkeld door een team onder leiding van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) – bestaat uit een stijve piëzo-elektrische ultrasone array die aan de huid kleeft via een zachte bioadhesieve hydrogel-elastomeer hybride. Hun bevindingen beschrijven in WetenschapDe onderzoekers tonen aan dat de pleister het hart, het maag-darmkanaal, het middenrif en de longen in beeld kan brengen tijdens activiteiten zoals joggen of drinken.
Echografie is een van de meest gebruikte hulpmiddelen voor medische beeldvorming, maar kent zijn beperkingen. Bij ultrasone beeldvorming wordt gebruik gemaakt van omvangrijke en gespecialiseerde apparatuur en zijn getrainde echografisten nodig om de transducer op het lichaam van de patiënt te positioneren. Dit beperkt het gebruik ervan over het algemeen tot korte, statische sessies.
De afgelopen jaren hebben er belangrijke ontwikkelingen plaatsgevonden op het gebied van draagbare apparaten voor continue en niet-invasieve medische monitoring. Hoewel dergelijke apparaten met succes fysiologische gegevens hebben gemeten, zoals hartslag en elektrische activiteit en metabolieten en elektrolyten bij zweet van de huid is klinische beeldvorming van inwendige organen een uitdaging gebleken.
“Een draagbaar hulpmiddel voor echografie zou een enorm potentieel hebben in de toekomst van klinische diagnose”, legt de eerste auteur uit Chonghe Wang, een afgestudeerde MIT-student. "De resolutie en beeldduur van bestaande echografiepleisters zijn echter relatief laag en ze kunnen geen diepe organen in beeld brengen."
Eerdere draagbare ultrasone apparaten waren vaak afhankelijk van rekbare transducerarrays. Hoewel deze met de huid kunnen vervormen, zorgt deze flexibiliteit ervoor dat de transducers ten opzichte van elkaar bewegen, waardoor de beeldkwaliteit afneemt. Flexibele substraten beperken ook de dichtheid van transducers in de array, waardoor de beeldresolutie wordt beïnvloed. Er zijn ook problemen geweest waarbij de lijm aan de huid bleef kleven en het ultrasone signaal dempte.
Het nieuwe apparaat ontwikkeld door Wang en collega's bevat een dunne en stijve ultrasone sonde, bestaande uit een reeks piëzo-elektrische elementen met hoge dichtheid, die aan de huid hecht via een rekbare hydrogel-elastomeer hybride. “Dankzij deze combinatie kan het apparaat zich aanpassen aan de huid, terwijl de relatieve locatie van de transducers behouden blijft, waardoor duidelijkere en nauwkeurigere beelden worden gegenereerd”, legt Wang uit.
De 90% waterhydrogel maakt hoogwaardige akoestische transmissie naar de huid mogelijk, net als de gels die worden gebruikt bij een standaard echografieonderzoek, terwijl de twee dunne elastomeren die de gel omhullen voorkomen dat deze uitdroogt. Gecoat met bioadhesief om het aan de stijve ultrasone sonde en huid te hechten, is de totale dikte van het elastomeermembraan en bioadhesief minder dan een kwart van de akoestische golflengte om de impact op de akoestische transmissie te minimaliseren. De hele patch is qua grootte vergelijkbaar met een postzegel.
Met behulp van verschillende tests toonden de onderzoekers aan dat het draagbare apparaat ruim 48 uur lang een sterke hechting aan de huid kan behouden en hoge trekkrachten kan weerstaan. Ze gebruikten ook gezonde vrijwilligers om 48 uur per dag continue beeldvorming van menselijke organen te demonstreren. Er werden echosondes met verschillende frequenties gebruikt, afhankelijk van de diepte van de organen die werden afgebeeld.
De onderzoekers waren in staat om de halsader en de halsslagader in de nek continu in beeld te brengen tijdens dynamische lichaamsbewegingen zoals nekrotaties. Ze observeerden hoe de diameter van de ader veranderde terwijl vrijwilligers van zitten of staan naar liggen gingen, en waren in staat veranderingen in de bloedstroom en druk in de slagader te meten terwijl vrijwilligers jogden. Ze brachten ook de longfunctie, de beweging van het middenrif en de vier kamers van het hart in beeld vóór, tijdens en na inspanning zoals joggen en fietsen; en observeerde het vullen en ledigen van de maag terwijl vrijwilligers dronken en het sap door hun spijsverteringsstelsel stroomde.
Robotachtig exosuit maakt gebruik van echografie om gepersonaliseerde loophulp te bieden
Het team werkt nu aan het draadloos maken van de stickers en het ontwikkelen van kunstmatige intelligentie-algoritmen om de afbeeldingen te helpen interpreteren. “We stellen ons voor dat we een doos met stickers zouden kunnen hebben, elk ontworpen om een andere locatie van het lichaam af te beelden”, zegt senior auteur Xuanhezhao. “Wij geloven dat dit een doorbraak betekent op het gebied van draagbare apparaten en medische beeldvorming.”
Schrijven in een geassocieerd perspectief artikel, waarschuwen Philip Tan en Nanshu Lu dat er ondanks de kansen die de patch biedt, obstakels moeten worden overwonnen. Vooral het integreren van de uitgebreide schakelingen en hardware die nodig zijn om voldoende transducers voor medische 3D-beeldvorming aan te sturen, zou de manoeuvreerbaarheid en mobiliteit kunnen beperken – iets waar ‘echografie op een chip’-onderzoek bij zou kunnen helpen.
