Лидеры мненийПрофессор Сюаньхэ ЧжаоПрофессор машиностроенияМассачусетский технологический институт (MIT)

В этом интервью мы говорим с исследователями из лаборатории Чжао в Массачусетском технологическом институте об их новой ультразвуковой наклейке, которая может обеспечить неинвазивное изображение внутренних органов на срок до 48 часов.

Пожалуйста, не могли бы вы представиться и рассказать нам, что вдохновило вас на ваше последнее исследование?

Мы команда инженеров из лаборатории MIT Zhao ( http://zhao.mit.edu/ )

Текущая медицинская диагностика в значительной степени зависит от инструментов клинической радиологии для визуализации органов для принятия решения. Однако это, как правило, нечастые клинические подходы, и, скорее всего, они не будут учитывать характер заболевания. Чтобы решить эту проблему, мы хотим разработать носимое устройство, которое могло бы обеспечить долгосрочные возможности визуализации как для врачей, так и для пациентов, отслеживая их заболевание или состояние здоровья.

В медицинских учреждениях врачам часто необходимо визуализировать внутренние органы пациента. Для этого часто используют ультразвуковое исследование. Не могли бы вы рассказать нам больше о том, как работает УЗИ?

Ультразвуковая визуализация — это безопасное и неинвазивное окно в работу организма, предоставляющее клиницистам живые изображения внутренних органов пациента. Чтобы получить эти изображения, обученные специалисты манипулируют ультразвуковыми зондами и зондами, направляя звуковые волны в тело. Эти волны отражаются обратно, создавая изображения сердца, легких и других глубоких органов пациента с высоким разрешением.

Изображение предоставлено: HOMONSTOCK/Shutterstock.com

Несмотря на то, что ультразвуковая визуализация является обычным явлением в медицинских учреждениях, она имеет много недостатков. Каковы некоторые из этих недостатков и как ваша новая технология помогает их преодолеть?

Обычно для визуализации с помощью ультразвука техник сначала наносит на кожу пациента жидкий гель, передающий ультразвуковые волны. Затем зонд или преобразователь прижимают 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 длительная визуализация, некоторые больницы предлагают датчики, прикрепленные к роботизированным рукам, которые могут удерживать датчик на месте без усталости, но жидкий ультразвуковой гель со временем стекает и высыхает, прерывая долгосрочную визуализацию.

Чтобы решить эту проблему, мы разработали ультразвуковую наклейку, которая создает изображения с более высоким разрешением в течение более длительного времени за счет соединения эластичного клеевого слоя с жестким массивом датчиков. Эта комбинация позволяет устройству прилегать к коже, сохраняя при этом относительное расположение датчиков для создания более четких и точных изображений.

В своем последнем исследовании вы разработали новую наклейку для УЗИ. Как вы разработали эту наклейку и как она работает?

Мы разработали новую ультразвуковую наклейку, которая создает изображения с высоким разрешением в течение более длительного времени за счет соединения эластичного клеевого слоя с жестким массивом датчиков. Эта комбинация позволяет устройству прилегать к коже, сохраняя при этом относительное расположение датчиков для создания более четких и точных изображений.

Адгезивный слой устройства состоит из двух тонких слоев эластомера, которые инкапсулируют средний слой твердого гидрогеля, материала в основном на водной основе, который легко пропускает звуковые волны. Гидрогель команды Массачусетского технологического института эластичный и эластичный, в отличие от традиционных ультразвуковых гелей. Эластомер предотвращает обезвоживание гидрогеля. Когда гидрогель сильно гидратирован, акустические волны могут эффективно проникать и давать изображения внутренних органов с высоким разрешением.

Нижний слой эластомера предназначен для приклеивания к коже, а верхний слой прилипает к жесткому массиву датчиков, которые также разработала и изготовила команда. Вся ультразвуковая наклейка имеет размеры около 2 квадратных сантиметров в поперечнике и 3 миллиметра в толщину — примерно площадь почтовой марки.

Чтобы проверить наш дизайн, мы провели серию тестов с ультразвуковой наклейкой на здоровых добровольцах, которые носили наклейки на различных частях тела, включая шею, грудь, живот и руки. Наклейки оставались прикрепленными к их коже и давали четкие изображения основных структур до 48 часов.

Ультразвуковая наклейкаPlay

Ваша ультразвуковая наклейка также может обеспечивать непрерывную визуализацию внутренних органов в течение 48 часов, а также фиксировать изображения, когда пациент выполняет различные действия. Как это возможно и какие преимущества дает клиницистам наблюдение за органами в течение определенного периода времени по сравнению с единичным снимком?

Наша система BAUS позволяет это сделать, и клейкая ультразвуковая наклейка может быть нанесена на кожу человека, оставаться стабильной и непрерывно отображать внутренние органы. Устройство визуализации, которое постоянно следит за определенными частями тела, может быть использовано для мониторинга и диагностики различных заболеваний. Врачи могли внимательно следить за ростом опухоли с течением времени.

Nordic Naturals, Ultimate Omega, со вкусом лимона, 640 мг, 180 капсул

Кто-то с высоким риском гипертонии может носить ультразвуковой пластырь для измерения высокого кровяного давления, предупреждая его о скачках давления или отслеживая, помогает ли лекарство. Пациент с COVID может остаться дома, зная, что устройство визуализации предупредит его, если его болезнь вызовет легочную инфекцию, достаточно серьезную, чтобы потребовать госпитализации.

Вы надеетесь, что, продолжая исследования этих ультразвуковых наклеек, их можно будет предлагать в аптеках, чтобы пациентам не нужно было посещать медицинские учреждения? Какие преимущества это будет иметь как для пациентов, так и для клиницистов?

Да, мы надеемся, что BAUS станет одним из будущих мониторов здоровья, которые можно будет купить в аптеке. Поэтому мы разрабатываем возможности массового производства, чтобы еще больше снизить стоимость, учитывая, что текущая наклейка стоит около 200 долларов США каждая. Большой коммерческий аргумент/преимущество этого нового устройства заключается в том, что оно открывает новые типы медицинских диагнозов, которые невозможно поставить в стационарных условиях.

Например, для оценки здоровья сердца полезно измерять активность органа во время тренировки, но трудно приложить ультразвуковой зонд к покрытой слизью груди бегущего человека. С переносным ультразвуковым пластырем, где вам не нужно было бы держать датчик на человеке, они могли бы показать, что вы можете получать высококачественные изображения сердца даже во время движения. Эта технология может уменьшить нагрузку как на врачей, так и на пациентов.

Изображение предоставлено: Феличе Франкель/Shutterstock.com

В последние годы внимание к медицинским носимым устройствам значительно возросло, отчасти благодаря искусственному интеллекту и машинному обучению. Как обе эти дисциплины могут быть применены к вашей ультразвуковой наклейке для дальнейшего ее развития?

Большое направление, над которым мы работаем, — это применение искусственного интеллекта в системе БАУС. Изображение чего-то стоит только в том случае, если вы действительно можете его диагностировать. Таким образом, даже если мы сможем получить все эти изображения, нам все равно понадобится помощь в получении из них полезных медицинских диагнозов.

Мы создаем алгоритмы, которые могли бы отслеживать физиологию органов, количественно анализировать ее и принимать решение о диагнозе. Это снизит нагрузку на врача.

Считаете ли вы, что ваша технология потенциально может помочь улучшить клиническую диагностику во всем мире? Что это может означать для глобального здравоохранения?

Наиболее важным приложением, которое мы предполагали, может быть обнаружение и диагностика сердечных приступов. Здоровье сердца находится в поле зрения других разработчиков носимых устройств. Например, умные часы, такие как Apple Watch, способны отслеживать электрические сигналы, указывающие на сердечную деятельность, с помощью так называемой электрокардиограммы (ЭКГ или ЭКГ). Это можно использовать для диагностики сердечных приступов — по крайней мере, в некоторых случаях.

Исследования показывают, что ЭКГ может диагностировать только около 20 процентов сердечных приступов. Для диагностики большинства сердечных приступов на самом деле требуются методы визуализации, такие как ультразвуковое исследование. Непрерывная визуализация сердца пациента может выявить его симптомы и поставить ранний диагноз. Мы предполагаем, что наклейки для УЗИ могут быть упакованы и куплены пациентами и потребителями и использоваться не только для мониторинга различных внутренних органов, но и для наблюдения за прогрессированием опухолей, а также за развитием плода в утробе матери.

Ваше исследование частично финансировалось Массачусетским технологическим институтом, но также и различными организациями, в том числе NIH, Исследовательским бюро армии США и Национальным научным фондом. Насколько важно финансирование открытия новых научных технологий?

Финансирование необходимо для понимания фундаментальной науки и разработки технологий, которые помогут решить серьезные социальные проблемы. Мы очень признательны различным финансирующим организациям, которые доверяют нам и поддерживают нашу работу.

Каковы следующие шаги для вас и вашего исследования?

Мы работаем над полностью интегрированной системой BAUS, которую может использовать каждый, и мы также работаем с клиницистами, чтобы получить клинические данные и отправить устройство на клинические испытания.

Где читатели могут найти дополнительную информацию?

Сайт нашей группы: http://zhao.mit.edu/

О профессоре Сюаньхэ Чжао

Сюаньхэ Чжао — профессор машиностроения, гражданского и экологического строительства (любезно предоставленный) в Массачусетском технологическом институте. Миссия  лаборатории Чжао  в Массачусетском технологическом институте состоит в том, чтобы продвигать науку и технологии в области взаимодействия между людьми и машинами для решения глобальных социальных проблем в области здравоохранения и устойчивого развития с помощью комплексного опыта в области механики, материалов и биотехнологий. Основным направлением  текущих исследований Zhao Lab является изучение и разработка мягких материалов и систем. 

О Чунхе Ване

Чунхэ Ван в настоящее время является аспирантом-исследователем, работающим с профессором Сюаньхэ Чжао на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. Chonghe имеет более чем 10-летний опыт исследований в области ультразвуковых технологий.

С 2016 года он стал пионером в разработке носимых ультразвуковых технологий, которые могли бы отслеживать показатели жизнедеятельности глубоких тканей человеческого тела. Его ведущая исследовательская работа была опубликована в журналах Science (2022 г.), Nature Biomedical Engineering (2021 г.), Nature Biomedical Engineering (2018 г.) и была эксклюзивно освещена сотнями известных СМИ, включая: National Geographic Magazine, Forbes, MIT Technology Review, Национальный институт здравоохранения. (NIH) и многие другие. Эта технология обладает огромным потенциалом для изменения парадигмы преобразования громоздких клинических ультразвуковых аппаратов в носимые интеллектуальные устройства для цифрового здравоохранения следующего поколения.

Его работы были приняты и опубликованы в ряде известных журналов, включая Nature, Science, Nature Biomedical Engineering, Nature Nanotechnology, Nature Electronics, Science Advances, Proceeding of National Academy of Science, Advanced Materials и многие другие. Он был признан «Молодым исследователем Baxter 2019 года» за вклад в разработку первого в мире носимого центрального монитора артериального давления, который потенциально может спасти жизнь пациента отделения интенсивной терапии.

О докторе Сяоюй Чене

Сяоюй Чен — постдокторант кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. Он получил степень бакалавра в химическом колледже Цзилиньского университета в 2013 году. Он получил степень доктора философии. получил степень на факультете биомедицинской инженерии Китайского университета Гонконга в 2019 году. Его исследования сосредоточены на разработке и подготовке полимерных биоматериалов для биомедицинских применений. Он является лауреатом премии CUHK «Выдающийся студент» и премии Общества биоматериалов STAR.