En bærbar ultralydenhet kan gi 48 timers kontinuerlig avbildning av indre organer mens pasienter går gjennom hverdagen. Enheten – utviklet av et team ledet ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) – består av en stiv piezoelektrisk ultralydgruppe som fester seg til huden via en myk bioadhesiv hydrogel-elastomer-hybrid. Beskriver funnene deres i Vitenskap, demonstrerer forskerne at plasteret kan avbilde hjertet, mage-tarmkanalen, mellomgulvet og lungene under aktiviteter som jogging eller drikking av væske.
Ultralyd er et av de mest brukte verktøyene for medisinsk bildebehandling, men det har sine begrensninger. Ultralydavbildning bruker klumpete og spesialisert utstyr og krever trente sonografer for å plassere transduseren på pasientens kropp. Dette begrenser generelt bruken til korte, statiske økter.
De siste årene har det vært en betydelig utvikling innen bærbare enheter for kontinuerlig og ikke-invasiv medisinsk overvåking. Mens slike enheter har vellykket målt fysiologiske data som f.eks hjerterytme og elektrisk aktivitetog metabolitter og elektrolytter i svette fra huden har klinisk avbildning av indre organer vist seg utfordrende.
"Et bærbart ultralydbildeverktøy vil ha et stort potensial i fremtiden for klinisk diagnose," forklarer førsteforfatter Chonghe Wang, en MIT-student. "Men oppløsningen og avbildningsvarigheten til eksisterende ultralydlapper er relativt lav, og de kan ikke avbilde dype organer."
Tidligere bærbare ultralydenheter har hatt en tendens til å stole på strekkbare transduser-arrayer. Selv om disse kan deformeres med huden, får denne fleksibiliteten transduserne til å bevege seg i forhold til hverandre, noe som reduserer bildekvaliteten. Fleksible underlag begrenser også tettheten til transdusere i arrayet, og påvirker bildeoppløsningen. Det har også vært problemer med at limet forblir festet til huden og demper ultralydsignalet.
Den nye enheten utviklet av Wang og kollegene inneholder en tynn og stiv ultralydsonde, bestående av en rekke piezoelektriske elementer med høy tetthet, som fester seg til huden via en elastisk hydrogel-elastomer-hybrid. "Denne kombinasjonen gjør at enheten tilpasser seg huden samtidig som den beholder den relative plasseringen til transduserne for å generere klarere og mer presise bilder," forklarer Wang.
Den 90 % vannhydrogelen muliggjør akustisk overføring av høy kvalitet til huden, omtrent som gelene som brukes i en standard ultralydundersøkelse, mens de to tynne elastomerene som innkapsler den forhindrer at den tørker ut. Belagt med bioadhesiv for å binde den til den stive ultralydsonden og huden, er den totale tykkelsen på elastomermembranen og bioadhesivet mindre enn en fjerdedel av den akustiske bølgelengden for å minimere innvirkningen på akustisk overføring. Hele lappen ligner i størrelse på et frimerke.
Ved hjelp av en rekke tester viste forskerne at den bærbare enheten kan opprettholde en sterk adhesjon til huden i mer enn 48 timer og tåle høye trekkkrefter. De brukte også friske frivillige for å demonstrere 48-timers kontinuerlig avbildning av menneskelige organer. Ultralydsonder med forskjellige frekvenser ble brukt avhengig av dybden på organene som ble avbildet.
Forskerne var i stand til kontinuerlig å avbilde halsvenen og halspulsåren i nakken under dynamiske kroppsbevegelser som nakkerotasjoner. De observerte at diameteren på venen endret seg etter hvert som frivillige beveget seg fra sittende eller stående til liggende, og var i stand til å måle endringer i blodstrøm og trykk i arterien mens frivillige jogget. De avbildet også lungefunksjon, diafragmabevegelse og de fire hjertekamrene før, under og etter trening som jogging og sykling; og observerte at magen fylles og tømmes mens frivillige drakk og juicen beveget seg gjennom fordøyelsessystemet.
Robotic exosuit bruker ultralydavbildning for å gi personlig gangehjelp
Teamet jobber nå med å gjøre klistremerkene trådløse og utvikler kunstig intelligens-algoritmer for å hjelpe til med å tolke bildene. "Vi ser for oss at vi kunne ha en boks med klistremerker, hver utformet for å avbilde en annen plassering av kroppen," sier seniorforfatter Xuanhezhao. "Vi tror dette representerer et gjennombrudd innen bærbare enheter og medisinsk bildebehandling."
Skrive i en assosiert perspektivartikkel, Philip Tan og Nanshu Lu advarer om at til tross for mulighetene som oppdateringen gir, er det hindringer å overvinne. Spesielt kan inkorporering av omfattende kretser og maskinvare som kreves for å kontrollere nok transdusere for 3D medisinsk bildebehandling begrense manøvrerbarhet og mobilitet - noe som forskning på "ultralyd på en chip" kan hjelpe med.
