Носимое ультразвуковое устройство может обеспечить 48 часов непрерывной визуализации внутренних органов, пока пациенты занимаются своей повседневной жизнью. Устройство, разработанное командой Массачусетского технологического института (MIT), состоит из жесткого пьезоэлектрического ультразвукового массива, который прикрепляется к коже посредством мягкого биоадгезивного гибрида гидрогеля и эластомера. Описывая свои выводы в НаукаИсследователи демонстрируют, что пластырь может отображать сердце, желудочно-кишечный тракт, диафрагму и легкие во время таких занятий, как бег трусцой или употребление жидкости.
Ультразвук является одним из наиболее широко используемых инструментов медицинской визуализации, но у него есть свои ограничения. Для ультразвуковой визуализации используется громоздкое и специализированное оборудование, и для этого требуются обученные специалисты по УЗИ, чтобы расположить датчик на теле пациента. Обычно это ограничивает его использование короткими статическими сеансами.
В последние годы произошли значительные разработки в области носимых устройств для непрерывного и неинвазивного медицинского мониторинга. Хотя такие устройства успешно измеряют физиологические данные, такие как ритм сердца и электрическая активностьи метаболиты и электролиты Визуализация внутренних органов клинического уровня при поте кожи оказалась сложной задачей.
«Носимый инструмент ультразвуковой визуализации будет иметь огромный потенциал в будущем клинической диагностики», — объясняет первый автор. Чонге Ван, аспирант Массачусетского технологического института. «Однако разрешение и продолжительность визуализации существующих ультразвуковых пластырей относительно низки, и они не могут отображать глубокие органы».
Предыдущие носимые ультразвуковые устройства, как правило, полагались на растягивающиеся матрицы датчиков. Хотя они могут деформироваться вместе с кожей, такая гибкость заставляет датчики перемещаться относительно друг друга, что снижает качество изображения. Гибкие подложки также ограничивают плотность датчиков в массиве, влияя на разрешение изображения. Также были проблемы с тем, что клей оставался прикрепленным к коже и ослаблял ультразвуковой сигнал.
Новое устройство, разработанное Ваном и его коллегами, содержит тонкий и жесткий ультразвуковой датчик, состоящий из массива пьезоэлектрических элементов высокой плотности, который прикрепляется к коже посредством эластичного гибрида гидрогеля и эластомера. «Эта комбинация позволяет устройству прилегать к коже, сохраняя при этом относительное расположение датчиков для создания более четких и точных изображений», — объясняет Ван.
Гидрогель, содержащий 90% воды, обеспечивает высококачественную передачу звука на кожу, подобно гелям, используемым при стандартном ультразвуковом исследовании, а два тонких эластомера, которые инкапсулируют его, предотвращают его высыхание. Общая толщина эластомерной мембраны и биоадгезива, покрытая биоадгезивом для прикрепления к жесткому ультразвуковому датчику и коже, составляет менее четверти длины волны звука, что минимизирует ее влияние на передачу звука. Вся нашивка по размеру похожа на почтовую марку.
Используя различные тесты, исследователи показали, что носимое устройство может сохранять прочное прилегание к коже в течение более 48 часов и выдерживать высокие силы натяжения. Они также использовали здоровых добровольцев для демонстрации 48-часовой непрерывной визуализации органов человека. В зависимости от глубины визуализируемых органов использовались ультразвуковые датчики с разной частотой.
Исследователи смогли непрерывно получать изображения яремной вены и сонной артерии на шее во время динамических движений тела, таких как повороты шеи. Они наблюдали изменение диаметра вены, когда добровольцы переходили из положения сидя или стоя в положение лежа, и смогли измерить изменения кровотока и давления в артерии во время пробежки добровольцев. Они также визуализировали функцию легких, движение диафрагмы и четыре камеры сердца до, во время и после физических упражнений, таких как бег трусцой и езда на велосипеде; и наблюдали, как желудок наполняется и опорожняется, когда добровольцы пили, и сок проходил через их пищеварительную систему.
Роботизированный экзокостюм использует ультразвуковую визуализацию для индивидуальной помощи при ходьбе
Сейчас команда работает над тем, чтобы сделать наклейки беспроводными и разрабатывает алгоритмы искусственного интеллекта, которые помогут интерпретировать изображения. «Мы представляем, что могли бы иметь коробку наклеек, каждая из которых предназначена для изображения разных частей тела», — говорит старший автор. Сюаньхэ Чжао. «Мы считаем, что это представляет собой прорыв в области носимых устройств и медицинской визуализации».
Пишу в связанном перспективная статьяФилип Тан и Наньшу Лу предупреждают, что, несмотря на возможности, предоставляемые патчем, существуют препятствия, которые необходимо преодолеть. В частности, включение обширной схемы и оборудования, необходимых для управления достаточным количеством датчиков для 3D-медицинской визуализации, может ограничить маневренность и мобильность – в этом могут помочь исследования «ультразвука на чипе».
