Инженеры MIT разработали небольшую ультразвуковую наклейку, которая позволяет контролировать жесткость органов глубоко внутри тела. Наклейку размером с почтовую марку можно носить на коже, она предназначена для выявления признаков заболеваний, таких как печеночная и почечная недостаточность и прогрессирование солидных опухолей.
В исследовании с открытым доступом , опубликованном в журнале Science Advances , команда сообщает, что датчик может посылать звуковые волны через кожу в тело, где волны отражаются от внутренних органов и возвращаются обратно на наклейку. Рисунок отраженных волн можно считать признаком жесткости органа, которую можно измерить и отследить с помощью наклейки.
«Когда некоторые органы подвергаются заболеванию, они со временем могут затвердевать», — говорит старший автор статьи Сюаньхэ Чжао, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «С помощью этой носимой наклейки мы можем непрерывно отслеживать изменения жесткости в течение длительных периодов времени, что крайне важно для ранней диагностики недостаточности внутренних органов».
Команда продемонстрировала, что наклейка может непрерывно отслеживать жесткость органов в течение 48 часов и обнаруживать тонкие изменения, которые могут сигнализировать о прогрессировании заболевания. В ходе предварительных экспериментов исследователи обнаружили, что липкий датчик может обнаруживать ранние признаки острой печеночной недостаточности у крыс.
Инженеры работают над адаптацией конструкции для использования на людях. Они предполагают, что наклейку можно будет использовать в отделениях интенсивной терапии (ОИТ), где низкопрофильные датчики смогут непрерывно контролировать пациентов, выздоравливающих после трансплантации органов .
«Мы представляем, что сразу после трансплантации печени или почки мы могли бы прикрепить эту наклейку к пациенту и наблюдать, как жесткость органа меняется в течение нескольких дней», — говорит ведущий автор Сяо-Чуань Лю. «Если на ранней стадии диагностирована острая печеночная недостаточность, врачи могут немедленно принять меры, не дожидаясь, пока состояние станет тяжелым».
На момент исследования Лю был приглашенным учёным в Массачусетском технологическом институте, а в настоящее время является доцентом в Университете Южной Калифорнии. Соавторами исследования в Массачусетском технологическом институте являются Сяоюй Чен и Чонхэ Ван, а также сотрудники Университета Южной Калифорнии.
Ощущение колебаний
Как и наши мышцы, ткани и органы нашего тела с возрастом становятся жесткими. При некоторых заболеваниях ригидность органов может стать более выраженной, что сигнализирует о потенциально резком ухудшении здоровья.
В настоящее время у клиницистов есть способы измерить жесткость таких органов, как почки и печень, с помощью ультразвуковой эластографии — метода, аналогичного ультразвуковой визуализации, при котором техник манипулирует ручным датчиком или палочкой над кожей. Зонд посылает звуковые волны через тело, которые заставляют внутренние органы слегка вибрировать и посылают волны в ответ. Зонд воспринимает вызванные органом вибрации, и характер вибраций можно определить, насколько шатким или жестким должен быть орган.
Ультразвуковая эластография обычно используется в отделениях интенсивной терапии для наблюдения за пациентами, недавно перенесшими трансплантацию органов. Технические специалисты периодически осматривают пациента вскоре после операции, чтобы быстро исследовать новый орган и выявить признаки его затвердевания и потенциальной острой недостаточности или отторжения.
«После трансплантации органов первые 72 часа являются наиболее важными в отделении интенсивной терапии», — говорит другой старший автор, Цифа Чжоу, профессор Университета Южной Калифорнии. «При традиционном УЗИ вам нужно подносить датчик к телу. Но вы не можете делать это постоянно в течение длительного времени. Врачи могут упустить решающий момент и слишком поздно осознать, что орган отказывает».
Команда поняла, что они смогут предоставить более непрерывную и носимую альтернативу. Их решение основано на ультразвуковой наклейке, которую они ранее разработали для визуализации глубоких тканей и органов.
«Наша наклейка с изображением улавливала продольные волны, тогда как на этот раз мы хотели улавливать поперечные волны, которые расскажут вам о жесткости органа», — объясняет Чжао.
Существующие ультразвуковые эластографические датчики измеряют поперечные волны или вибрацию органа в ответ на звуковые импульсы. Чем быстрее сдвиговая волна распространяется в органе, тем более жестким считается орган. (Представьте себе отскок воздушного шара по сравнению с футбольным мячом.)
Команда попыталась миниатюризировать ультразвуковую эластографию, чтобы она поместилась на наклейке размером с марку. Они также стремились сохранить ту же чувствительность коммерческих ручных зондов, которые обычно включают около 128 пьезоэлектрических преобразователей, каждый из которых преобразует входящее электрическое поле в исходящие звуковые волны.
«Мы использовали передовые технологии изготовления, чтобы вырезать небольшие преобразователи из высококачественных пьезоэлектрических материалов, что позволило нам создать миниатюрные ультразвуковые наклейки», — говорит Чжоу.
Исследователи с точностью изготовили 128 миниатюрных преобразователей, которые встроили в чип площадью 25 квадратных миллиметров. Они покрыли нижнюю часть чипа клеем из гидрогеля — липкого и эластичного материала, представляющего собой смесь воды и полимера, который позволяет звуковым волнам проникать в устройство и выходить из него практически без потерь.
В ходе предварительных экспериментов команда протестировала наклейку, чувствительную к жесткости, на крысах. Они обнаружили, что наклейки позволяли непрерывно измерять жесткость печени в течение 48 часов. Из собранных на наклейке данных исследователи заметили явные и ранние признаки острой печеночной недостаточности, которые позже подтвердили с помощью образцов тканей.
«Как только печень выйдет из строя, жесткость органа увеличится во много раз», — отмечает Лю.
«Вы можете перейти от здоровой печени, шаткой, как яйцо всмятку, к больной печени, которая больше похожа на яйцо, сваренное вкрутую», — добавляет Чжао. «И эта наклейка может уловить эти различия глубоко внутри тела и предупредить, когда происходит отказ органа».
Команда работает с врачами над адаптацией наклейки для использования пациентами, выздоравливающими после трансплантации органов в отделениях интенсивной терапии. В этом сценарии они не ожидают больших изменений в текущем дизайне наклейки, поскольку она может прилипать к коже пациента, а любые звуковые волны, которые она отправляет и принимает, могут доставляться и собираться электроникой, которая подключается к наклейке, аналогично к электродам и аппаратам ЭКГ в кабинете врача.
Исследователи также надеются превратить наклейку в более портативную, автономную версию, в которой вся сопутствующая электроника и обработка будут миниатюризированы, чтобы поместиться в патч немного большего размера. Затем они предполагают, что пациенты смогут носить наклейку дома, чтобы постоянно отслеживать состояние в течение более длительных периодов времени, например, прогрессирование солидных опухолей, которые, как известно, с течением времени затвердевают.
«Мы считаем, что это технологическая платформа, спасающая жизни», — говорит Чжао. «Мы думаем, что в будущем люди смогут прикреплять к своему телу несколько наклеек, чтобы измерять многие жизненно важные сигналы, а также отображать и отслеживать состояние здоровья основных органов тела».
