MIT-ingenieurs ontwikkelen ultrasone stickers die in het lichaam kunnen kijken

MIT-ingenieurs ontwierpen een zelfklevende pleister die ultrasone beelden van het lichaam produceert. Het apparaat ter grootte van een stempel plakt aan de huid en kan 48 uur lang continue ultrasone beeldvorming van interne organen leveren. Krediet: Felice Frankel

Nieuwe ultrasone kleefstoffen ter grootte van een postzegel leveren heldere beelden van het hart, de longen en andere inwendige organen.

Wanneer clinici live beelden van de interne organen van een patiënt nodig hebben, wenden ze zich vaak tot echografie voor een veilig en niet-invasief venster op de werking van het lichaam. Om deze inzichtelijke beelden vast te leggen, manipuleren getrainde technici ultrasone toverstokken en sondes om geluidsgolven het lichaam in te sturen. Deze golven worden weerkaatst en worden gebruikt om beelden met een hoge resolutie te maken van het hart, de longen en andere diepe organen van een patiënt.

Echografie vereist momenteel omvangrijke en gespecialiseerde apparatuur die alleen beschikbaar is in ziekenhuizen en dokterspraktijken. Echter, een nieuw ontwerp ontwikkeld door[{” 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.

Een plakkerig probleem

Om met ultrageluid af te beelden, brengt een technicus eerst een vloeibare gel aan op de huid van een patiënt, die ultrasone golven uitzendt. Een sonde, of transducer, wordt vervolgens tegen de gel gedrukt, waardoor geluidsgolven het lichaam in worden gestuurd die van interne structuren weerkaatsen en terug naar de sonde, waar de echosignalen worden omgezet in visuele beelden.

Voor patiënten die lange perioden van beeldvorming nodig hebben, bieden sommige ziekenhuizen sondes aan die zijn bevestigd aan robotarmen die een transducer op zijn plaats kunnen houden zonder moe te worden, maar de vloeibare ultrasone gel vloeit weg en droogt na verloop van tijd uit, waardoor langdurige beeldvorming wordt onderbroken.

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers ontwerpen onderzocht voor rekbare ultrasone sondes die draagbare, onopvallende beeldvorming van interne organen zouden bieden. Deze ontwerpen gaven een flexibele reeks kleine ultrasone transducers, met het idee dat zo’n apparaat zich zou uitrekken en zich zou aanpassen aan het lichaam van een patiënt.

Maar deze experimentele ontwerpen hebben afbeeldingen met een lage resolutie opgeleverd, deels vanwege hun rek: bij het bewegen met het lichaam verschuiven de transducers van plaats ten opzichte van elkaar, waardoor het resulterende beeld wordt vervormd.

“Een draagbaar hulpmiddel voor echografie zou een enorm potentieel hebben in de toekomst van klinische diagnose. De resolutie en beeldduur van bestaande ultrasone patches is echter relatief laag, en ze kunnen geen afbeeldingen maken van diepe organen”, zegt Chonghe Wang, een afgestudeerde MIT-student.

Een kijkje van binnen

Door een rekbare kleeflaag te combineren met een stijve reeks transducers, produceert de nieuwe ultrasone sticker van het MIT-team beelden met een hogere resolutie over een langere duur. “Deze combinatie stelt het apparaat in staat zich aan te passen aan de huid terwijl de relatieve locatie van de transducers behouden blijft om duidelijkere en nauwkeurigere beelden te genereren.” zegt Wang.

De kleeflaag van het apparaat is gemaakt van twee dunne lagen elastomeer die een middelste laag van vaste hydrogel inkapselen, een grotendeels op water gebaseerd materiaal dat gemakkelijk geluidsgolven doorlaat. In tegenstelling tot traditionele ultrasone gels, is de hydrogel van het MIT-team elastisch en rekbaar.

“Het elastomeer voorkomt uitdroging van hydrogel”, zegt Chen, een MIT-postdoc. “Alleen wanneer hydrogel sterk gehydrateerd is, kunnen akoestische golven effectief doordringen en beeldvorming met hoge resolutie van interne organen geven.”

De onderste elastomeerlaag is ontworpen om aan de huid te kleven, terwijl de bovenste laag hecht aan een rigide reeks transducers die het team ook heeft ontworpen en gefabriceerd. De hele ultrasone sticker is ongeveer 2 vierkante centimeter breed en 3 millimeter dik – ongeveer de oppervlakte van een postzegel.

De onderzoekers voerden de ultrasone sticker door een reeks tests met gezonde vrijwilligers, die de stickers op verschillende delen van hun lichaam droegen, waaronder de nek, borst, buik en armen. De stickers bleven op hun huid plakken en produceerden tot 48 uur heldere beelden van onderliggende structuren. Gedurende deze tijd voerden vrijwilligers een verscheidenheid aan activiteiten uit in het laboratorium, van zitten en staan ​​tot joggen, fietsen en gewichtheffen.

Aan de hand van de afbeeldingen van de stickers kon het team de veranderende diameter van grote bloedvaten observeren wanneer ze zitten versus staan. De stickers legden ook details vast van diepere organen, zoals hoe het hart van vorm verandert tijdens inspanning. De onderzoekers waren ook in staat om de maag te zien opzwellen en vervolgens terugdeinzen terwijl vrijwilligers dronken en later het sap uit hun systeem passeerden. En terwijl sommige vrijwilligers gewichten tilden, kon het team heldere patronen in onderliggende spieren detecteren, wat wijst op tijdelijke microschade.

“Met beeldvorming kunnen we misschien het moment van een training vastleggen voordat we te veel gebruiken, en stoppen voordat de spieren pijnlijk worden”, zegt Chen. “We weten nog niet wanneer dat moment is, maar nu kunnen we beeldgegevens leveren die experts kunnen interpreteren.”

Het technische team werkt eraan om de stickers draadloos te laten werken. Ze ontwikkelen ook software-algoritmen op basis van kunstmatige intelligentie die de afbeeldingen van de stickers beter kunnen interpreteren en diagnosticeren. Vervolgens stelt Zhao zich voor dat ultrasone stickers kunnen worden verpakt en gekocht door patiënten en consumenten, en niet alleen worden gebruikt om verschillende interne organen te volgen, maar ook de progressie van tumoren, evenals de ontwikkeling van foetussen in de baarmoeder.

“We stellen ons voor dat we een doos met stickers zouden kunnen hebben, elk ontworpen om een ​​andere locatie van het lichaam af te beelden”, zegt Zhao. “Wij geloven dat dit een doorbraak betekent in draagbare apparaten en medische beeldvorming.”

Referentie: “Bioadhesieve echografie voor langdurige continue beeldvorming van diverse organen” door Chonghe Wang, Xiaoyu Chen, Liu Wang, Mitsutoshi Makihata, Hsiao-Chuan Liu, Tao Zhou en Xuanhe Zhao, 28 juli 2022, Wetenschap.
DOI: 10.1126/science.abo2542

Dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door MIT, het Defense Advanced Research Projects Agency, de National Science Foundation, de National Institutes of Health en het US Army Research Office via het Institute for Soldier Nanotechnologies van MIT.

Leave a Comment