Медиатека

В научно-фантастических фильмах о будущем можно увидеть устройства, которые сканируют человеческое тело и моментально отображают показатели жизненно важных функций или даже изображения внутренних органов. Современные исследователи, возможно, сделали первый шаг в этом направлении, создав портативный миниатюрный ультразвуковой «пластырь», который позволяет заглянуть глубоко внутрь нашего тела — команда Массачусетского технологического института сообщила об этом в статье, опубликованной 29 июля в журнале Science. ¹

Биоадгезивное ультразвуковое устройство (BAUS) — небольшая наклейка размером с почтовую марку — обеспечивает 48 часов непрерывной визуализации различных внутренних органов, включая кровеносные сосуды, мышцы, сердце, желудочно-кишечный тракт, диафрагму и легкие.

Хотя существуют портативные устройства, которые считывают физические и химические сигналы кожи, визуализация внутренних органов остается основной задачей современных исследований. Ультразвуковая визуализация позволяет клиницистам оценивать функции тканей и органов, контролировать состояние здоровья, своевременно диагностировать различные заболевания и наблюдать за их прогрессированием.

Однако исследование ультразвуком требует тесного контакта между датчиком и кожей, что затрудняет получение изображений в течение длительного периода времени, особенно если пациенту нужно двигаться. В настоящее время для УЗИ требуется громоздкое специализированное оборудование, доступное только в больницах. У существующей портативной ультразвуковой аппаратуры ограничена мобильность и время применения. Она может использовать далеко не для всех частей тела и не отличается комфортом. Новый дизайн инженеров Массачусетского технологического института может сделать эту технологию такой же доступной и простой в обращении, как обычный пластырь.

Как работает УЗИ-патч?

При обычном ультразвуковом исследовании на пациента наносят жидкий гель, пропускающий ультразвуковые волны. Затем датчик посылает ультразвуковые волны, которые отражаются от внутренних органов и возвращаются обратно, становясь визуальными образами. Однако гель быстро высыхает, а датчик сложно держать на одном и том же месте длительное время.

В последние годы исследователи изучали возможность создания портативных ультразвуковых датчиков — такие конструкции состоят из набора крошечных ультразвуковых преобразователей, растягиваясь и сжимаясь вместе с телом пациента. Однако из-за смещения датчиков относительно друг друга они давали изображения с низким разрешением.

Рис. 1. Устройство BAUS. (A) Существующие портативные ультразвуковые накладки физически прикреплены к коже и растягиваются вместе с ней. (B) Устройство BAUS состоит из тонкого и жесткого ультразвукового датчика, прочно прикрепленного к коже с помощью контактного вещества из плотного гибрида гидрогеля и эластомера. Пунктирный прямоугольник указывает на область, показанную на (C). (C) Контактное вещество BAUS состоит из прочного гидрогеля, который инкапсулирован эластомерной мембраной, дополнительно покрытой тонким биоадгезивным слоем. Контактное вещество поддерживает прочную адгезию между датчиком BAUS и кожей в течение 48 часов и изолирует датчик BAUS от деформации во время динамических движений тела. ¹

BAUS состоит из тонкого жесткого ультразвукового датчика, прочно прикрепленного к коже с помощью контактного вещества — мягкого, прочного, антидегидратирующего и биоадгезивного гидрогелевого эластомера. Такое устройство позволяет получать изображения с высоким разрешением в течение длительного времени за счет соединения эластичного клейкого слоя с жесткой конструкцией из датчиков. BAUS адаптируется к растяжению кожи, при этом сохраняя расположение датчиков относительно друг друга для получения четкого изображения. Адгезивный слой не высыхает благодаря эластомеру, а контактная жидкость BAUS эффективно пропускает акустические волны, изолирует датчик BAUS от деформации при динамических движениях тела и обеспечивает надежную и удобную адгезию к коже в течение 48 часов.

Рис.2. Прочная адгезия BAUS. ¹

Для чего можно использовать УЗИ-патч?

Исследователи провели серию тестов с добровольцами, которые носили патчи на различных частях тела, показав, что они выдают изображения крупных кровеносных сосудов и более глубоких органов, таких как сердце, легкие и желудок, с высоким разрешением в реальном времени. Патчи сохраняли адгезию и фиксировали изменения в органах при выполнении различных действий, включая сидение, стояние, бег трусцой и езду на велосипеде.

Например, были получены результаты визуализации яремной вены и сонной артерии при прикреплении BAUS к правой стороне шеи добровольца. Изменение диаметра яремной вены сильно коррелирует с давлением в правом предсердии и, таким образом, может использоваться для диагностики сердечных заболеваний – сердечной недостаточности, легочной гипертензии и других. Результаты визуализации могут дополнительно предоставить 48-часовые непрерывные данные об изменении скорости кровотока и артериального давления в сонной артерии.

Система BAUS также может обеспечить непрерывную визуализацию ключевых характеристик легких в течение 48 часов даже при движениях тела, таких как бег трусцой и езда на велосипеде. Такое исследование потенциально может отслеживать симптомы у пациентов, зараженных COVID-19 и находящихся на лечении дома. Непрерывные изображения камер сердца можно дополнительно обработать для расчета динамики нагрузки на сердце – важного параметра, который может указывать на кардиомиопатию. И это далеко не все, на что потенциально способен ультразвуковой патч.

Интересно, что еще в 2021 команда Калифорнийского университета в Сан-Диего, в составе которой присутствуют некоторые ученые из нового исследования, разработали эластичную ультразвуковую накладку более узкой направленности – её можно использовать непосредственно для контроля кровотока глубоко внутри тела. ² Всего лишь год спустя новой команде удалось создать накладку с гораздо более широким применением и улучшенным функционалом.

Несомненно, BAUS и подобные устройства — прорыв в области современной медицины. Несмотря на то, что нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем ультразвуковые патчи будут готовы для широкого применения, они имеют огромный потенциал. Разработка таких устройств открывает новые возможности для будущего науки и медицины.

Литература

1. Wang C. et al. Bioadhesive ultrasound for long-term continuous imaging of diverse organs. Science, 2022.

2. Wang C. et al. Continuous monitoring of deep-tissue haemodynamics with stretchable ultrasonic phased arrays. Nature Biomedical Engineering, 2021.