En bärbar ultraljudsenhet kan ge 48 timmars kontinuerlig avbildning av inre organ medan patienterna sköter sitt dagliga liv. Enheten – utvecklad av ett team vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) – består av en stel piezoelektrisk ultraljudsuppsättning som fastnar på huden via en mjuk bioadhesiv hydrogel-elastomer-hybrid. Beskriver sina fynd i Vetenskap, visar forskarna att plåstret kan avbilda hjärtat, mag-tarmkanalen, diafragman och lungorna under aktiviteter som att jogga eller dricka vätska.
Ultraljud är ett av de mest använda verktygen för medicinsk bildbehandling, men det har sina begränsningar. Ultraljudsavbildning använder skrymmande och specialiserad utrustning och kräver utbildade sonografer för att placera givaren på patientens kropp. Detta begränsar i allmänhet användningen till korta, statiska sessioner.
Under de senaste åren har det skett betydande utvecklingar inom bärbara enheter för kontinuerlig och icke-invasiv medicinsk övervakning. Medan sådana enheter framgångsrikt har mätt fysiologiska data som t.ex hjärtrytm och elektrisk aktivitetoch metaboliter och elektrolyter i svett från huden har klinisk avbildning av inre organ visat sig vara utmanande.
"Ett bärbart ultraljudsavbildningsverktyg skulle ha enorm potential i framtiden för klinisk diagnos", förklarar första författare Chonghe Wang, en doktorand vid MIT. "Men upplösningen och avbildningstiden för befintliga ultraljudsfläckar är relativt låg, och de kan inte avbilda djupa organ."
Tidigare bärbara ultraljudsanordningar har tenderat att förlita sig på sträckbara givaruppsättningar. Även om dessa kan deformeras med huden, gör denna flexibilitet att givarna rör sig i förhållande till varandra, vilket minskar bildkvaliteten. Flexibla substrat begränsar också densiteten av givare i arrayen, vilket påverkar bildupplösningen. Det har också förekommit problem med att limmen sitter kvar på huden och dämpar ultraljudssignalen.
Den nya enheten som utvecklats av Wang och kollegor innehåller en tunn och stel ultraljudssond, bestående av en högdensitetsuppsättning av piezoelektriska element, som fäster på huden via en stretchig hydrogel-elastomer-hybrid. "Denna kombination gör det möjligt för enheten att anpassa sig efter huden samtidigt som givarnas relativa placering bibehålls för att generera tydligare och mer exakta bilder," förklarar Wang.
Den 90 % vattenhydrogelen möjliggör högkvalitativ akustisk överföring till huden, ungefär som gelerna som används vid en vanlig ultraljudsundersökning, medan de två tunna elastomererna som kapslar in den förhindrar att den torkar ut. Belagd med bioadhesiv för att binda den till den styva ultraljudssonden och huden, är den totala tjockleken på elastomermembranet och bioadhesivet mindre än en fjärdedel av den akustiska våglängden för att minimera dess påverkan på akustisk transmission. Hela lappen liknar storleken på ett frimärke.
Med hjälp av en mängd olika tester visade forskarna att den bärbara enheten kan bibehålla en stark vidhäftning till huden i mer än 48 timmar och motstå höga dragkrafter. De använde också friska frivilliga för att demonstrera 48-timmars kontinuerlig avbildning av mänskliga organ. Ultraljudssonder med olika frekvenser användes beroende på djupet på de organ som avbildades.
Forskarna kunde kontinuerligt avbilda halsvenen och halspulsådern i nacken under dynamiska kroppsrörelser såsom nackrotationer. De observerade att diametern på venen förändrades när frivilliga flyttade från sittande eller stående till liggande, och kunde mäta förändringar i blodflödet och trycket i artären medan frivilliga joggade. De avbildade också lungfunktion, diafragmans rörelse och hjärtats fyra kammare före, under och efter träning som jogging och cykling; och observerade att magen fylldes och tömdes när frivilliga drack och juicen rörde sig genom deras matsmältningssystem.
Robotic exosuit använder ultraljudsbilder för att ge personlig gånghjälp
Teamet arbetar nu med att göra klistermärkena trådlösa och utvecklar algoritmer för artificiell intelligens för att hjälpa till att tolka bilderna. "Vi föreställer oss att vi skulle kunna ha en låda med klistermärken, var och en utformad för att avbilda en annan plats på kroppen", säger senior författare Xuanhezhao. "Vi tror att detta representerar ett genombrott inom bärbara enheter och medicinsk bildbehandling."
Skriver i en associerad perspektivartikel, Philip Tan och Nanshu Lu varnar för att trots de möjligheter som patchen erbjuder finns det hinder att övervinna. I synnerhet kan inkorporering av de omfattande kretsar och hårdvara som krävs för att styra tillräckligt många givare för 3D-medicinsk avbildning begränsa manövrerbarheten och rörligheten – något som forskning med "ultraljud på ett chip" kan hjälpa till med.
