I nuovi adesivi a ultrasuoni delle dimensioni di un francobollo producono immagini nitide di cuore, polmoni e altri organi interni
L’imaging a ultrasuoni è una finestra sicura e non invasiva sul funzionamento del corpo, che fornisce ai medici immagini dal vivo degli organi interni di un paziente. Per acquisire queste immagini, tecnici qualificati manipolano le bacchette e le sonde a ultrasuoni per dirigere le onde sonore nel corpo. Queste onde si riflettono all’esterno per produrre immagini ad alta risoluzione del cuore, dei polmoni e di altri organi profondi di un paziente.
Attualmente, l’ecografia richiede apparecchiature ingombranti e specializzate disponibili solo negli ospedali e negli studi medici. Ma un nuovo design degli ingegneri del MIT potrebbe rendere la tecnologia indossabile e accessibile quanto l’acquisto di cerotti in farmacia.
In un articolo apparso oggi su Science , gli ingegneri presentano il progetto di un nuovo adesivo a ultrasuoni, un dispositivo delle dimensioni di un francobollo che si attacca alla pelle e può fornire immagini ecografiche continue degli organi interni per 48 ore.
CREDITO
Immagine: Felice Frankel
I ricercatori hanno applicato gli adesivi ai volontari e hanno mostrato che i dispositivi hanno prodotto immagini dal vivo ad alta risoluzione dei principali vasi sanguigni e degli organi più profondi come il cuore, i polmoni e lo stomaco. Gli adesivi hanno mantenuto una forte adesione e hanno catturato i cambiamenti negli organi sottostanti mentre i volontari eseguivano varie attività, tra cui sedersi, stare in piedi, fare jogging e andare in bicicletta.
Il design attuale richiede il collegamento degli adesivi a strumenti che traducono le onde sonore riflesse in immagini. I ricercatori sottolineano che anche nella loro forma attuale, gli adesivi potrebbero avere applicazioni immediate: ad esempio, i dispositivi potrebbero essere applicati ai pazienti in ospedale, in modo simile agli adesivi ECG per il monitoraggio del cuore, e potrebbero visualizzare continuamente gli organi interni senza richiedere un tecnico per mantenere una sonda in posizione per lunghi periodi di tempo.
Se i dispositivi possono essere realizzati per funzionare in modalità wireless, un obiettivo per il quale il team sta attualmente lavorando, gli adesivi per ultrasuoni potrebbero essere trasformati in prodotti di imaging indossabili che i pazienti potrebbero portare a casa dallo studio di un medico o persino acquistare in farmacia.
“Prevediamo che alcune patch aderiscano a diverse posizioni del corpo e le patch comunicherebbero con il tuo cellulare, dove gli algoritmi di intelligenza artificiale analizzerebbero le immagini su richiesta”, afferma l’autore senior dello studio, Xuanhe Zhao, professore di ingegneria meccanica e civile e ingegneria ambientale al MIT. “Riteniamo di aver aperto una nuova era dell’imaging indossabile: con alcune patch sul tuo corpo, potresti vedere i tuoi organi interni”.
Lo studio include anche gli autori principali Conghe Wang e Xiaoyu Chen e i coautori Liu Wang, Mitsutoshi Makihata e Tao Zhao del MIT, insieme a Hsiao-Chuan Liu della Mayo Clinic di Rochester, nel Minnesota.
Un problema appiccicoso
Per eseguire l’immagine con gli ultrasuoni, un tecnico applica prima un gel liquido sulla pelle di un paziente, che agisce per trasmettere gli ultrasuoni. Una sonda, o trasduttore, viene quindi premuta contro il gel, inviando onde sonore nel corpo che echeggiano dalle strutture interne e tornano alla sonda, dove i segnali echeggiati vengono tradotti in immagini visive.
Per i pazienti che richiedono lunghi periodi di imaging, alcuni ospedali offrono sonde fissate a bracci robotici che possono tenere un trasduttore in posizione senza stancarsi, ma il gel liquido per ultrasuoni scorre via e si asciuga nel tempo, interrompendo l’imaging a lungo termine.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno esplorato progetti per sonde ecografiche estensibili che fornirebbero immagini portatili e di basso profilo degli organi interni. Questi progetti fornivano una serie flessibile di minuscoli trasduttori a ultrasuoni, con l’idea che un tale dispositivo si sarebbe allungato e si sarebbe conformato al corpo del paziente.
Ma questi progetti sperimentali hanno prodotto immagini a bassa risoluzione, in parte a causa del loro allungamento: muovendosi con il corpo, i trasduttori si spostano di posizione l’uno rispetto all’altro, distorcendo l’immagine risultante.
“Uno strumento di imaging a ultrasuoni indossabile avrebbe un enorme potenziale nel futuro della diagnosi clinica. Tuttavia, la risoluzione e la durata dell’imaging dei cerotti ecografici esistenti è relativamente bassa e non possono visualizzare gli organi profondi”, afferma Chonghe Wang, uno studente laureato del MIT.
Uno sguardo interiore
Il nuovo adesivo a ultrasuoni del team del MIT produce immagini a risoluzione più elevata per una durata maggiore accoppiando uno strato adesivo elastico con una serie rigida di trasduttori. “Questa combinazione consente al dispositivo di conformarsi alla pelle mantenendo la posizione relativa dei trasduttori per generare immagini più chiare e precise”. Dice Wang.
Lo strato adesivo del dispositivo è costituito da due sottili strati di elastomero che incapsulano uno strato intermedio di idrogel solido, un materiale prevalentemente a base d’acqua che trasmette facilmente le onde sonore. A differenza dei tradizionali gel per ultrasuoni, l’idrogel del team del MIT è elastico ed elastico.
“L’elastomero previene la disidratazione dell’idrogel”, afferma Chen, un post-dottorato del MIT. “Solo quando l’idrogel è altamente idratato le onde acustiche possono penetrare efficacemente e fornire immagini ad alta risoluzione degli organi interni”.
Lo strato inferiore di elastomero è progettato per aderire alla pelle, mentre lo strato superiore aderisce a una serie rigida di trasduttori che il team ha anche progettato e fabbricato. L’intero adesivo a ultrasuoni misura circa 2 centimetri quadrati di larghezza e 3 millimetri di spessore, circa l’area di un francobollo.
I ricercatori hanno eseguito l’adesivo a ultrasuoni attraverso una batteria di test con volontari sani, che hanno indossato gli adesivi su varie parti del loro corpo, inclusi collo, torace, addome e braccia. Gli adesivi sono rimasti attaccati alla loro pelle e hanno prodotto immagini nitide delle strutture sottostanti per un massimo di 48 ore. Durante questo periodo, i volontari hanno svolto una serie di attività in laboratorio, da seduti e in piedi, a fare jogging, andare in bicicletta e sollevare pesi.
Dalle immagini degli adesivi, il team è stato in grado di osservare il cambiamento del diametro dei principali vasi sanguigni da seduti rispetto a quelli in piedi. Gli adesivi hanno anche catturato i dettagli degli organi più profondi, come il modo in cui il cuore cambia forma mentre si esercita durante l’esercizio. I ricercatori sono stati anche in grado di osservare lo stomaco distendersi, poi rimpicciolirsi mentre i volontari bevevano e poi passavano il succo fuori dal loro sistema. E mentre alcuni volontari sollevavano pesi, il team ha potuto rilevare schemi luminosi nei muscoli sottostanti, segnalando un microdanno temporaneo.
“Con l’imaging, potremmo essere in grado di catturare il momento di un allenamento prima di un uso eccessivo e fermarci prima che i muscoli diventino doloranti”, afferma Chen. “Non sappiamo ancora quando potrebbe essere quel momento, ma ora possiamo fornire dati di imaging che gli esperti possono interpretare”.
Il team sta lavorando per far funzionare gli adesivi in ??modalità wireless. Stanno anche sviluppando algoritmi software basati sull’intelligenza artificiale in grado di interpretare e diagnosticare meglio le immagini degli adesivi. Quindi, Zhao prevede che gli adesivi per ultrasuoni potrebbero essere confezionati e acquistati da pazienti e consumatori e utilizzati non solo per monitorare vari organi interni, ma anche la progressione dei tumori e lo sviluppo dei feti nell’utero.
“Immaginiamo di poter avere una scatola di adesivi, ognuno progettato per rappresentare una diversa posizione del corpo”, afferma Zhao. “Riteniamo che questo rappresenti una svolta nei dispositivi indossabili e nell’imaging medico”.
Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dal MIT, dalla Defense Advanced Research Projects Agency, dalla National Science Foundation, dal National Institutes of Health e dall’US Army Research Office attraverso l’Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT.