Инженеры разработали наклейку, которая позволяет получать ультразвуковые изображения внутренних органов человека непрерывно в течение 48 часов

Инженеры разработали наклейку-пластырь, который позволяет получать ультразвуковые изображения внутренних органов в режиме реального времени. 

Устройство размером с марку, наклеивается на кожу и способно обеспечить непрерывную ультразвуковую визуализацию внутренних органов в течение 48 часов.

Ультразвуковая визуализация - это безопасный и неинвазивный способ, позволяющий врачам получать реалистичные изображения внутренних органов пациента. Чтобы получить эти изображения, специалисты используют ультразвуковые аппараты, направляя звуковые волны в тело. Эти волны отражаются обратно, создавая изображения сердца, легких и других органов пациентов с высоким разрешением.

В настоящее время ультразвуковая визуализация требует громоздкого и специализированного оборудования, доступного только в больницах и кабинетах врачей. Но новый дизайн, разработанный инженерами Массачусетского технологического института, может сделать эту технологию такой же легкой и доступной, как покупка пластыря в аптеке.

В статье, опубликованной 28 июля 2022 года в журнале Science, инженеры представили дизайн новой ультразвуковой наклейки - устройства размером с марку, которая прилипает к коже и может обеспечивать непрерывную ультразвуковую визуализацию внутренних органов в течение 48 часов.

Исследователи нанесли наклейки на добровольцев и показали, что устройства передают реальные изображения крупных кровеносных сосудов с высоким разрешением и других органов, таких как сердце, легкие и желудок. Наклейки сохраняли прочное сцепление с кожей и фиксировали изменения во внутренних органах пациентов, в то время, когда добровольцы выполняли различные действия: сидели, стояли, бегали трусцой и ездили на велосипеде.

Текущий дизайн требует подключения наклеек-пластырей к приборам, которые преобразуют отраженные звуковые волны в изображения. Исследователи отмечают, что даже в их текущем виде, наклейки могут иметь сиюминутное применение: например, устройства могут быть применены к пациентам в больнице, подобно наклейкам для кардиомониторинга, ЭКГ, и могут непрерывно отображать внутренние органы, не требуя, чтобы специалист удерживал зонд, в течение длительного периода времени.

В данный момент, исследователи работают над тем, чтобы данный УЗИ наклейки смогли передавать информацию по беспроводной сети. Тогда из данных ультразвуковых наклеек, можно будет сделать переносные устройства для визуализации, которые пациенты смогут забрать домой из кабинета врача, или, даже, купить в аптеке.

"Мы представляем, что несколько узи-пластырей будут прикреплены к разным участкам тела, и эти наклейки будут передавать информацию на мобильное устройство (телефон), где алгоритмы искусственного интеллекта будут анализировать изображения по соответствующему запросу", - говорит старший автор исследования Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения, гражданского строительства и охраны окружающей среды в Массачусетском технологическом институте. "Мы считаем, что открыли новую эру переносных ультразвуковых устройств, способных воспроизводить изображений, когда с помощью нескольких узи-пластырей на теле, вы можете видеть свои внутренние органы".

В исследовании также приняли участие ведущие авторы Чонге Ван и Сяоюй Чен, а также соавторы Лю Ван, Мицутоши Макихата и Тао Чжао из Массачусетского технологического института, а также Сяо-Чуань Лю из клиники Майо в Рочестере, штат Миннесота.

Текущие задачи

Для получения изображения с помощью ультразвука, специалист сначала наносит на кожу пациента жидкий гель, который пропускает ультразвуковые волны. Затем зонд или датчик прижимается к гелю, посылая звуковые волны в тело, которые отражаются от внутренних структур и возвращаются к зонду, где отраженные сигналы преобразуются в визуальные изображения.

Для пациентов, которым требуется длительное получение изображений, некоторые больницы предлагают зонды, прикрепленные к роботизированным манипуляторам, которые могут удерживать датчик на месте, но жидкий ультразвуковой гель со временем вытекает и высыхает, прерывая такую длительную визуализацию.

В последние годы исследователи изучали конструкции растягиваемых ультразвуковых зондов, которые обеспечивали бы портативную, малозаметную визуализацию внутренних органов. Эти конструкции позволили создать гибкий набор крошечных ультразвуковых преобразователей. Идея заключается в том, что такое устройство будет растягиваться и приспосабливаться к телу пациента.

Но эти экспериментальные образцы дали изображения с низким разрешением, отчасти из-за их растяжения: при движении вместе с телом датчики смещаются относительно друг друга, искажая финальное изображение.

"Носимый инструмент ультразвуковой визуализации будет иметь огромный потенциал в будущем клинической диагностики. Однако, разрешение и длительность изображения существующих ультразвуковых пластырей относительно невелики, и они не могут отображать внутренние органы ", - говорит Чонге Ван, аспирант Массачусетского технологического института.

Взгляд изнутри

Новая ультразвуковая наклейка команды MIT позволяет получать изображения с более высоким разрешением, в течение, более длительного времени благодаря соединению эластичного клеевого слоя с жестким массивом датчиков. "Эта комбинация позволяет устройству приспосабливаться к коже, сохраняя при этом относительное расположение датчиков для получения более четких и точных изображений", - говорит Чонге Ван.

Клеевой слой устройства состоит из двух тонких слоев эластомера, которые заключают в себе средний слой твердого гидрогеля - материала на водной основе, который легко пропускает звуковые волны. В отличие от традиционных ультразвуковых гелей, гидрогель команды MIT - эластичный и тянущийся.

"Эластомер предотвращает высыхание гидрогеля", - говорит Чен, постдок Массачусетского технологического института. "Только когда гидрогель сильно увлажнен, акустические волны могут эффективно проникать внутрь для получения изображения внутренних органов с высоким разрешением".

Нижний слой эластомера предназначен для приклеивания к коже, в то время как верхний слой прилипает к жесткому массиву датчиков, которые команда, также, разработала и изготовила для этих целей. Размер всей ультразвуковой наклейки составляет около 2 квадратных сантиметров в длину и ширину, и 3 миллиметра в толщину – что приравнивается к примерной площади почтовой марки.

Исследователи провели ультразвуковую наклейку через серию тестов со здоровыми добровольцами, которые носили наклейки на различных частях своего тела, включая шею, грудь, живот и руки. Наклейки оставались прикрепленными к их коже и создавали четкие изображения нижележащих структур в течение 48 часов. В течение этого времени добровольцы выполняли в лаборатории различные упражнения – сидели, стояли, бегали трусцой, ездили на велосипеде и поднимали тяжести.

На изображениях наклеек команда смогла наблюдать изменение диаметра основных кровеносных сосудов в положении сидя или стоя. На наклейках также запечатлены детали более глубоких органов, например, того как сердце меняет форму при нагрузке во время тренировки. Исследователи также могли наблюдать, как желудок раздувается, а затем сжимается, когда добровольцы пили, а затем выводили жидкость из организма. А когда некоторые добровольцы поднимали тяжести, команда смогла обнаружить яркие узоры в мышцах, сигнализирующие о временных микроповреждениях.

"С помощью визуализации, мы смогли бы уловить момент перенапряжения мыщц во время тренировки, когда пациент применяет чрезмерную силу и остановить ее до того, как мышцы заболят", - говорит Чен. "Мы еще не знаем, когда этот момент может наступить, но теперь мы можем предоставить данные визуализации, которые впоследствии смогут интерпретировать эксперты".

Команда работает над тем, чтобы узи-наклейки смогли передавать информацию по беспроводной сети. Они также разрабатывают программные алгоритмы, основанные на искусственном интеллекте, которые могут лучше интерпретировать и диагностировать изображения на наклейках. Затем Чжао предполагает, что ультразвуковые наклейки могут быть упакованы и приобретены пациентами и другими потребителями для использования не только в качестве средства мониторинга различных внутренних органов, но и для отслеживания процесса прогрессирования опухолей, а также отслеживания роста плода во время беременности в утробе матери.

"Мы надеемся, что у нас будет набор различных узи-наклеек, где каждая будет предназначена для визуализации разных участков тела", - говорит Чжао. "Мы считаем, что это устройство представляет собой прорыв в области переносных устройств и медицинской визуализации".

Это исследование частично финансировалось Массачусетским технологическим институтом, Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов, Национальным научным фондом, Национальными институтами здравоохранения и Исследовательским управлением армии США через Институт солдатских нанотехнологий при Массачусетском технологическом институте.