Носимий ультразвуковий пристрій може забезпечити 48 годин безперервного зображення внутрішніх органів, поки пацієнти займаються повсякденним життям. Пристрій, розроблений командою під керівництвом Массачусетського технологічного інституту (MIT), складається з жорсткого п’єзоелектричного ультразвукового масиву, який прилипає до шкіри за допомогою м’якого біоадгезивного гібриду гідрогелю та еластомеру. Описуючи свої знахідки в наука, дослідники демонструють, що пластир може відображати серце, шлунково-кишковий тракт, діафрагму та легені під час таких видів діяльності, як біг або вживання рідини.
Ультразвук є одним із найбільш широко використовуваних інструментів для медичної візуалізації, але він має свої обмеження. Ультразвукова візуалізація використовує громіздке спеціалізоване обладнання та потребує навчених сонографістів для розміщення датчика на тілі пацієнта. Зазвичай це обмежує його використання короткими статичними сеансами.
Останніми роками відбулися значні розробки в носячих пристроях для постійного та неінвазивного медичного моніторингу. Хоча такі пристрої успішно вимірювали фізіологічні дані, наприклад серцевий ритм та електрична активність та метаболіти та електроліти у поті зі шкіри виявлення клінічного ступеня внутрішніх органів виявилося складним завданням.
«Ультразвуковий візуалізатор, який можна носити, матиме величезний потенціал у майбутньому клінічної діагностики», — пояснює перший автор Чонхе Ван, аспірант Массачусетського технологічного інституту. «Однак роздільна здатність і тривалість зображення існуючих ультразвукових плям є відносно низькими, і вони не можуть відображати глибокі органи».
Попередні переносні ультразвукові пристрої, як правило, покладалися на матриці датчиків, що розтягуються. Хоча вони можуть деформуватися зі шкірою, ця гнучкість змушує перетворювачі рухатися відносно один одного, знижуючи якість зображення. Гнучкі підкладки також обмежують щільність перетворювачів у масиві, впливаючи на роздільну здатність зображення. Також були проблеми з тим, що клеї залишалися прикріпленими до шкіри та послаблювали ультразвуковий сигнал.
Новий пристрій, розроблений Вангом і його колегами, містить тонкий і жорсткий ультразвуковий зонд, що складається з масиву п’єзоелектричних елементів високої щільності, який прикріплюється до шкіри за допомогою еластичного гібриду гідрогелю та еластомеру. «Ця комбінація дозволяє пристрою адаптуватися до шкіри, зберігаючи при цьому відносне розташування датчиків для створення більш чітких і точних зображень», — пояснює Ван.
Гідрогель, що складається з 90% води, забезпечує високоякісну акустичну передачу на шкіру, подібно до гелів, які використовуються під час стандартного ультразвукового обстеження, а два тонких еластомеру, які його інкапсулюють, запобігають висиханню. Покрита біоадгезивом для з’єднання з жорстким ультразвуковим зондом і шкірою, загальна товщина еластомерної мембрани та біоадгезиву становить менше однієї чверті довжини звукової хвилі, щоб мінімізувати її вплив на передачу звуку. Вся нашивка за розміром схожа на поштову марку.
Використовуючи низку тестів, дослідники показали, що носимий пристрій може зберігати міцне зчеплення зі шкірою протягом понад 48 годин і витримувати високі сили натягу. Вони також використовували здорових добровольців, щоб продемонструвати 48-годинне безперервне зображення органів людини. Використовувалися ультразвукові зонди з різною частотою в залежності від глибини органів, що знімаються.
Дослідники змогли безперервно знімати яремну вену та сонну артерію на шиї під час динамічних рухів тіла, таких як повороти шиї. Вони спостерігали, як діаметр вени змінювався, коли добровольці переходили з положення сидячи або стоячи в положення лежачи, і мали змогу вимірювати зміни кровотоку та тиску в артерії під час бігу добровольців. Вони також знімали функцію легенів, рух діафрагми та чотири камери серця до, під час і після вправ, таких як біг підтюпцем і їзда на велосипеді; і спостерігав за наповненням і спорожненням шлунка, коли добровольці пили, а сік рухався через їх травну систему.
Роботизований екзокостюм використовує ультразвукове зображення для надання персоналізованої допомоги при ходьбі
Зараз команда працює над тим, щоб зробити наклейки бездротовими та розробляє алгоритми штучного інтелекту, які допоможуть інтерпретувати зображення. «Ми уявляємо, що можемо мати коробку з наклейками, кожна з яких створена для зображення різних місць тіла», — каже старший автор Сюаньхе Чжао. «Ми вважаємо, що це являє собою прорив у носимих пристроях і медичній візуалізації».
Написання в асоційованому перспективна стаття, Філіп Тан і Наньшу Лу попереджають, що, незважаючи на можливості, надані патчем, є перешкоди, які потрібно подолати. Зокрема, включення великої кількості схем і обладнання, необхідних для керування достатньою кількістю датчиків для 3D-медичної візуалізації, може обмежити маневреність і мобільність – у чому може допомогти дослідження «ультразвуку на чіпі».
