Przenośne urządzenie ultradźwiękowe może zapewnić ciągłe obrazowanie narządów wewnętrznych przez 48 godzin, podczas gdy pacjenci wykonują codzienne czynności. Urządzenie – opracowane przez zespół kierowany przez Massachusetts Institute of Technology (MIT) – składa się ze sztywnej piezoelektrycznej matrycy ultradźwiękowej, która przykleja się do skóry za pomocą miękkiej bioadhezyjnej hybrydy hydrożelu i elastomeru. Opisując swoje ustalenia w naukanaukowcy wykazali, że plaster może obrazować serce, przewód pokarmowy, przeponę i płuca podczas takich czynności, jak bieganie czy picie płynów.
Ultradźwięki to jedno z najpowszechniej stosowanych narzędzi obrazowania medycznego, jednak ma ono swoje ograniczenia. Do obrazowania ultradźwiękowego wykorzystuje się nieporęczny i specjalistyczny sprzęt, a do umieszczenia przetwornika na ciele pacjenta potrzeba przeszkolonych ultrasonografistów. Zwykle ogranicza to jego użycie do krótkich, statycznych sesji.
W ostatnich latach nastąpił znaczący rozwój urządzeń do noszenia, służących do ciągłego i nieinwazyjnego monitorowania medycznego. Chociaż takie urządzenia z powodzeniem mierzyły dane fizjologiczne, takie jak rytm serca i aktywność elektryczna, metabolity i elektrolity w pocie ze skóry, obrazowanie narządów wewnętrznych na poziomie klinicznym okazało się wyzwaniem.
„Ubieralne narzędzie do obrazowania ultradźwiękowego miałoby ogromny potencjał w przyszłości diagnostyki klinicznej” – wyjaśnia pierwszy autor Chonghe Wang, absolwent MIT. „Jednak rozdzielczość i czas obrazowania istniejących plastrów ultradźwiękowych są stosunkowo niskie i nie pozwalają na obrazowanie głębokich narządów”.
Poprzednie przenośne urządzenia ultradźwiękowe zwykle opierały się na rozciągliwych matrycach przetworników. Chociaż mogą one odkształcać się wraz ze skórą, ta elastyczność powoduje, że przetworniki poruszają się względem siebie, co pogarsza jakość obrazu. Elastyczne podłoża ograniczają również gęstość przetworników w układzie, wpływając na rozdzielczość obrazu. Wystąpiły również problemy z przyczepieniem się kleju do skóry i tłumieniem sygnału ultradźwiękowego.
Nowe urządzenie opracowane przez Wanga i współpracowników zawiera cienką i sztywną sondę ultradźwiękową składającą się z układu elementów piezoelektrycznych o dużej gęstości, które przylegają do skóry za pomocą elastycznej hybrydy hydrożelu i elastomeru. „Ta kombinacja umożliwia dopasowanie urządzenia do skóry przy jednoczesnym zachowaniu względnego położenia przetworników, co pozwala generować wyraźniejsze i dokładniejsze obrazy” – wyjaśnia Wang.
Hydrożel zawierający 90% wody umożliwia wysokiej jakości transmisję akustyczną do skóry, podobnie jak żele stosowane w standardowym badaniu USG, a dwa cienkie elastomery, które go otaczają, zapobiegają jego wysychaniu. Pokryty materiałem bioadhezyjnym, który łączy go ze sztywną sondą ultradźwiękową i skórą, całkowita grubość membrany elastomerowej i materiału bioadhezyjnego wynosi mniej niż jedną czwartą długości fali akustycznej, aby zminimalizować jej wpływ na transmisję akustyczną. Cała naszywka wielkością przypomina znaczek pocztowy.
Za pomocą różnych testów naukowcy wykazali, że urządzenie do noszenia może utrzymać silną przyczepność do skóry przez ponad 48 godzin i wytrzymuje duże siły ciągnące. Wykorzystali także zdrowych ochotników do zademonstrowania 48-godzinnego ciągłego obrazowania narządów ludzkich. Zastosowano sondy ultradźwiękowe o różnej częstotliwości w zależności od głębokości obrazowania narządów.
Naukowcy byli w stanie w sposób ciągły obrazować żyłę szyjną i tętnicę szyjną w szyi podczas dynamicznych ruchów ciała, takich jak rotacje szyi. Zaobserwowali zmianę średnicy żyły w miarę przechodzenia ochotników z pozycji siedzącej lub stojącej do pozycji leżącej, a także byli w stanie zmierzyć zmiany w przepływie krwi i ciśnieniu w tętnicy podczas joggingu. Sfotografowali także czynność płuc, ruch przepony i cztery komory serca przed, w trakcie i po ćwiczeniach, takich jak bieganie i jazda na rowerze; i obserwowali napełnianie i opróżnianie żołądka, gdy ochotnicy pili, a sok przechodził przez ich układ trawienny.
Robotyczny egzokombinezon wykorzystuje obrazowanie ultradźwiękowe, aby zapewnić spersonalizowaną pomoc w chodzeniu
Zespół pracuje obecnie nad stworzeniem naklejek bezprzewodowych i opracowywaniem algorytmów sztucznej inteligencji, które pomogą w interpretacji obrazów. „Wyobrażamy sobie, że moglibyśmy mieć pudełko naklejek, z których każda miałaby przedstawiać inne położenie ciała” – mówi starszy autor Xuanhezhao. „Wierzymy, że stanowi to przełom w urządzeniach do noszenia i obrazowaniu medycznym”.
Pisanie w powiązanym artykuł perspektywiczny, Philip Tan i Nanshu Lu ostrzegają, że pomimo możliwości, jakie stwarza łatka, istnieją przeszkody do pokonania. W szczególności zastosowanie rozbudowanych obwodów i sprzętu wymaganego do sterowania wystarczającą liczbą przetworników do obrazowania medycznego 3D może ograniczyć manewrowość i mobilność – w czym mogą pomóc badania „ultradźwięki na chipie”.
