Инженерите на MIT разработват ултразвукови стикери, които могат да виждат вътрешността на тялото

Инженери от Масачузетския технологичен институт проектираха лепенка, която създава ултразвукови изображения на тялото. Устройството с размерите на печат се залепва за кожата и може да осигури непрекъснато ултразвуково изображение на вътрешните органи в продължение на 48 часа. Кредит: Фелис Франкел

Нови ултразвукови лепила с размер на щампа осигуряват ясни изображения на сърцето, белите дробове и други вътрешни органи.

Когато клиницистите се нуждаят от изображения на живо на вътрешните органи на пациента, те често се обръщат към ултразвуково изображение за безопасен и неинвазивен прозорец в работата на тялото. За да заснемат тези проницателни изображения, обучени техници манипулират ултразвукови пръчки и сонди, за да насочат звуковите вълни в тялото. Тези вълни се отразяват обратно и се използват за създаване на изображения с висока разделителна способност на сърцето, белите дробове и други дълбоки органи на пациента.

Ултразвуковото изображение в момента изисква обемисто и специализирано оборудване, достъпно само в болници и лекарски кабинети. Въпреки това, нов дизайн, разработен от[{” attribute=””>MIT engineers might make the technology as wearable and accessible as buying Band-Aids at the drugstore.

The engineers presented the design for the new ultrasound sticker in a paper published on July 28 in the journal Science. The stamp-sized device sticks to skin and can provide continuous ultrasound imaging of internal organs for 48 hours.

To demonstrate the invention, the researchers applied the stickers to volunteers. They showed the devices produced live, high-resolution images of major blood vessels and deeper organs such as the heart, lungs, and stomach. As the volunteers performed various activities, including sitting, standing, jogging, and biking, the stickers maintained a strong adhesion and continued to capture changes in underlying organs.

In the current design, the stickers must be connected to instruments that translate the reflected sound waves into images. According to the researchers, the stickers could have immediate applications even in their current form. For example, the devices could be applied to patients in the hospital, similar to heart-monitoring EKG stickers, and could continuously image internal organs without requiring a technician to hold a probe in place for long periods of time.

Making the devices work wirelessly is a goal the team is currently working toward. If they are successful, the ultrasound stickers could be made into wearable imaging products that patients could take home from a doctor’s office or even buy at a pharmacy.

“We envision a few patches adhered to different locations on the body, and the patches would communicate with your cellphone, where AI algorithms would analyze the images on demand,” says the study’s senior author, Xuanhe Zhao, professor of mechanical engineering and civil and environmental engineering at MIT. “We believe we’ve opened a new era of wearable imaging: With a few patches on your body, you could see your internal organs.”

The study also includes lead authors Chonghe Wang and Xiaoyu Chen, and co-authors Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, and Tao Zhao at MIT, along with Hsiao-Chuan Liu of the Mayo Clinic in Rochester, Minnesota.

Лепкав проблем

За да изобрази с ултразвук, техникът първо нанася течен гел върху кожата на пациента, който действа като предава ултразвукови вълни. След това сонда или трансдюсер се притиска към гела, изпращайки звукови вълни в тялото, които отекват от вътрешните структури и обратно към сондата, където отразените сигнали се превеждат във визуални изображения.

За пациенти, които се нуждаят от дълги периоди на образна диагностика, някои болници предлагат сонди, прикрепени към роботизирани ръце, които могат да държат сонда на място, без да се уморяват, но течният ултразвуков гел изтича и изсъхва с течение на времето, прекъсвайки дългосрочното изображение.

През последните години учените са изследвали дизайни на разтегливи ултразвукови сонди, които биха осигурили преносимо нископрофилно изображение на вътрешните органи. Тези проекти дават гъвкав набор от малки ултразвукови преобразуватели, като идеята е такова устройство да се разтяга и да се приспособява към тялото на пациента.

Но тези експериментални проекти са създали изображения с ниска разделителна способност, отчасти поради тяхното разтягане: движейки се с тялото, преобразувателите изместват местоположението един спрямо друг, изкривявайки полученото изображение.

„Удобният за носене ултразвуков инструмент за изображения би имал огромен потенциал в бъдещето на клиничната диагностика. Въпреки това разделителната способност и продължителността на изображенията на съществуващите ултразвукови пластири са сравнително ниски и те не могат да изобразят дълбоки органи“, казва Chonghe Wang, който е студент от MIT.

Поглед отвътре

Чрез сдвояване на разтеглив адхезивен слой с твърд набор от преобразуватели, новият ултразвуков стикер на екипа на MIT произвежда изображения с по-висока разделителна способност за по-дълъг период от време. „Тази комбинация позволява на устройството да се приспособи към кожата, като същевременно поддържа относителното местоположение на трансдюсерите, за да генерира по-ясни и по-прецизни изображения.“ Уанг казва.

Адхезивният слой на устройството е направен от два тънки слоя еластомер, които капсулират среден слой от твърд хидрогел, материал предимно на водна основа, който лесно предава звукови вълни. За разлика от традиционните ултразвукови гелове, хидрогелът на екипа на MIT е еластичен и разтеглив.

„Еластомерът предотвратява дехидратацията на хидрогела“, казва Чен, постдоктор на MIT. „Само когато хидрогелът е силно хидратиран, акустичните вълни могат да проникнат ефективно и да дадат изображения с висока разделителна способност на вътрешните органи.“

Долният еластомерен слой е проектиран да се придържа към кожата, докато горният слой се придържа към твърд набор от преобразуватели, които екипът също е проектирал и изработил. Целият ултразвуков стикер е с размери около 2 квадратни сантиметра в диаметър и 3 милиметра дебелина – приблизително колкото площта на пощенска марка.

Изследователите прокараха ултразвуковия стикер чрез набор от тестове със здрави доброволци, които носеха стикерите върху различни части на тялото си, включително врата, гърдите, корема и ръцете. Стикерите остават прикрепени към кожата им и създават ясни изображения на подлежащите структури до 48 часа. През това време доброволците извършваха различни дейности в лабораторията, от седене и изправяне до джогинг, колоездене и вдигане на тежести.

От изображенията на стикерите екипът успя да наблюдава променящия се диаметър на главните кръвоносни съдове в седнало или изправено положение. Стикерите също така заснемат подробности за по-дълбоки органи, като например как сърцето променя формата си, докато се упражнява по време на тренировка. Изследователите също така са успели да наблюдават как стомахът се раздува, след което се свива, докато доброволците пият и по-късно отделят сок от системата си. И тъй като някои доброволци вдигаха тежести, екипът можеше да открие ярки модели в подлежащите мускули, сигнализирайки за временно микроувреждане.

„С изображенията може да успеем да уловим момента в тренировка преди прекомерна употреба и да спрем, преди мускулите да се разболят“, казва Чен. „Все още не знаем кога може да е този момент, но сега можем да предоставим изображения, които експертите могат да интерпретират.“

Инженерният екип работи, за да направи стикерите да работят безжично. Те също така разработват софтуерни алгоритми, базирани на изкуствен интелект, които могат по-добре да интерпретират и диагностицират изображенията на стикерите. След това Джао предвижда ултразвуковите стикери да могат да бъдат опаковани и закупени от пациенти и потребители и да се използват не само за наблюдение на различни вътрешни органи, но също така и на прогресията на туморите, както и на развитието на фетусите в утробата.

„Представяме си, че можем да имаме кутия със стикери, всеки от които е проектиран да изобразява различно местоположение на тялото“, казва Джао. „Вярваме, че това представлява пробив в устройствата за носене и медицинските изображения.“

Справка: „Биоадхезивен ултразвук за дългосрочно непрекъснато изобразяване на различни органи“ от Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou и Xuanhe Zhao, 28 юли 2022 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.abo2542

Това изследване беше финансирано отчасти от Масачузетския технологичен институт, Агенцията за напреднали изследователски проекти на отбраната, Националната научна фондация, Националните институти по здравеопазване и Изследователската служба на армията на САЩ чрез Института за войнишки нанотехнологии към MIT.

(function(d,s,id){var js,fjs=d.getElementsByTagName(s)[0];if(d.getElementById(id))return;js=d.createElement(s);js.id=id;js.src=”https://connect.facebook.net/en_US/sdk.js#xfbml=1&version=v2.6″;fjs.parentNode.insertBefore(js,fjs);}(document,’script’,’facebook-jssdk’));

Leave a Comment